1. 概述

梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,縮寫FGM) 是兩種或多種材料復合且成分和結構呈連續梯度變化的一種新型復合材料，是應現代航天航空工業等高技術領域的需要，為滿足在極限環境下能反復地正常工作而發展起來的一種新型功能材料。

碳纖維梯度功能復合材料（Carbon Fibre Gradient Functional Composite）融合了碳纖維與其他材料，通過調整結構、組成及密度等參數，實現了界面的最小化甚至消失，從而形成具有性能漸變的非均質新型復合材料。

2.主要種類

傳統的碳纖維復合材料通常呈均勻分布。然而，在某些應用場景中，需結合具有不同物理性質與功能的材料。單一的碳纖維復合材料可能因性能不匹配而導致結構損壞。因此，梯度材料應運而生，以實現不同性能材料的無縫結合。

歷史上，例如越王勾踐劍，就是早期梯度材料的應用實例，其劍鋒與劍身結構特征不同。自然界中，如動物骨骼，也呈現梯度結構。這些實例啟發了現代梯度材料的開發。

圖 越王勾踐劍

碳纖維梯度材料可以根據其復合材料的種類和特性進行分類。下面是一些常見的類型及其特點：

表 主要碳纖維梯度材料一覽

每種梯度材料都具有其獨特的性能，適用于不同的工業領域和環境條件。這些材料的開發和應用正成為材料科學和工程領域的研究熱點。

3.技術前沿

航空航天領域的發展催生了碳纖維梯度功能復合材料。這類材料需承受極端溫度條件，例如航天器機頭和發動機室的高溫環境。1984年，日本學者首次提出梯度功能復合材料的概念，該材料通過控制組成和微觀結構實現了陶瓷與金屬的連續過渡，有效緩解熱應力，適應高溫環境。

盡管梯度材料已取得顯著進展，但其發展潛力仍大。碳纖維梯度材料在導熱、導電、電磁屏蔽等領域具有廣泛應用。2023年，《Composite Structures》期刊發表了西北工業大學飛行器復合材料結構研究所鄭錫濤教授團隊的研究，該研究基于碳纖維復合材料梯度陣列，提出了一種新型輕質隱身承載一體化設計。

圖  格柵吸波結構示意圖：(a) 周期結構；(b) 梯度碳纖維條陣列

4.原料市場

目前碳纖維梯度材料尚處于細分市場，規模化的數據較少，本文從碳纖維整體市場情況進行分析。

21世紀后 ，國內碳纖維的研究及應用飛速發展。由于近年來我國對軍機的需求、以北斗導航系統為首的航天技術的發展、民用航空的快速發展以及風電葉片的大量需求等，讓國家對碳纖維全產業鏈的投入加大。2021 年江蘇恒神產值產量雙提升，實現恒神創建以來首次盈利，也迎來了國產纖維首次全行業盈利；2022年2月份，世界首創由碳纖維材料制備的北京冬季奧運會火炬外殼亮相。同時各碳纖維企業正在加大發展力度：2021年9月中國建材西寧萬噸碳纖維基地投產；10 月吉林化纖年產600噸的高性能碳纖維首條碳化線試車成功；2022 年 1 月上海石化的1.2萬噸/年的48 K大絲束碳纖維生產設備到場；2022年3月新疆隆炬新材料5萬噸/年的高性能碳纖維項目復工，2023年4月新疆隆炬48K大絲束碳纖維生產線試車成功；2023年4月，中復神鷹連云港3萬噸碳纖維項目正式開工，5月西寧2.5萬噸項目全面投產，預計2023年末中復神鷹年產能將達到2.85萬噸/年。

圖 碳纖維主要企業地理分布

5.小結

隨著高技術領域對材料性能要求的日益提高，碳纖維梯度功能復合材料（Carbon Fibre Gradient Functional Composite）應運而生，為材料科學帶來了新的發展方向。這些材料結合了不同物質的優勢，通過漸變的組合方式，優化了性能與應用范圍。碳纖維梯度材料的研發，旨在滿足航天航空等行業在極端環境下的需求。

這類材料的多樣性體現在碳纖維與各種材料如陶瓷、金屬、聚合物等的結合。這種結合賦予了材料如高溫耐性、高機械強度、良好韌性等特性，使其在航空航天、汽車工業、體育用品等多個領域擁有廣泛的應用。梯度材料的研究不僅受到自然界結構的啟發，如動物骨骼的梯度結構，也得益于歷史上的應用實例，如越王勾踐劍的復雜材料結構。

技術上，碳纖維梯度材料的發展已經取得顯著進步。例如，西北工業大學飛行器復合材料結構研究所近期的研究成果，展示了這些材料在電磁波吸收、機械性能增強方面的潛力。市場層面，盡管目前碳纖維梯度材料處于細分市場階段，但隨著技術的不斷進步和應用的擴大，預計將迎來更廣闊的發展前景。

總的來說，碳纖維梯度功能復合材料的發展是材料科學領域的一個重要里程碑，其在多個高技術領域的應用前景廣闊。隨著進一步研究和技術革新，這些材料未來可能在更多領域展現其獨特的價值。

文獻來源

信息來源：碳纖維復合材料制作與加工公眾號

參考文獻：“A novel linear gradient carbon fiber array integrated square honeycomb structure with electromagnetic wave absorption and enhanced mechanical performances”

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。