碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用

周恒香　顧良娥　尚武林　張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車(chē)有限責(zé)任公司，江蘇連云港　222000）

碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用

周恒香顧良娥尚武林張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車(chē)有限責(zé)任公司，江蘇連云港222000）

介紹了碳纖維的性能、分類(lèi)，以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況，并著重分析了其在樂(lè)器領(lǐng)域中應(yīng)用的必要性及優(yōu)越性，舉例說(shuō)明了已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)或應(yīng)用的碳纖維樂(lè)器及其性能特點(diǎn)，并對(duì)碳纖維進(jìn)一步在樂(lè)器上的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

碳纖維；復(fù)合材料；樂(lè)器

碳纖維是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到90%以上，既有碳素材料的結(jié)構(gòu)特性又有纖維形態(tài)特征的一種高性能纖維，具有一系列優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械設(shè)備、建筑交通、文體醫(yī)療等領(lǐng)域，在國(guó)防軍工及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的戰(zhàn)略地位。本文基于碳纖維的特性及發(fā)展趨勢(shì)，就碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用展開(kāi)討論。

1　碳纖維

碳纖維在1879年愛(ài)迪生獲得制造電燈中碳絲的專(zhuān)利時(shí)就已經(jīng)存在了，但是直到上世紀(jì)60年代初航空航天工業(yè)亟需性能更優(yōu)的輕質(zhì)材料時(shí)才開(kāi)始了碳纖維的商業(yè)化生產(chǎn)[1]。作為一種碳素材料，它具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐熱性能（在2000℃的高溫惰性氣體中強(qiáng)度不降低）、化學(xué)穩(wěn)定性、電熱傳導(dǎo)性、低熱膨脹性、X射線透射性、電磁波遮蔽性、生物體親和性，且密度低、耐摩擦、耐腐蝕等特點(diǎn)。同時(shí)作為一種纖維材料，還具有纖維的柔軟可編織性，力學(xué)性能沿纖維軸向強(qiáng)度較高的各向異性，與其他材料組成復(fù)合材料還具有良好的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性。因此，目前幾乎沒(méi)有其他材料像碳纖維具有那么多的優(yōu)異性能。

根據(jù)制備碳纖維原料的不同可將碳纖維主要分為三類(lèi)：1）聚丙烯腈基碳纖維，是由聚丙烯腈經(jīng)紡絲、預(yù)氧、碳化幾個(gè)階段形成，具有較優(yōu)異的力學(xué)性能；2）粘膠基碳纖維，是由主要成分為纖維素的粘膠纖維經(jīng)脫水、熱解、碳化等過(guò)程而制得，是理想的耐燒蝕、隔熱、熱防護(hù)、環(huán)保和醫(yī)用衛(wèi)生材料；3）瀝青基碳纖維，是以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制成，具有優(yōu)良的傳熱、導(dǎo)電性能和極低的熱膨脹系數(shù)[2]。由于聚丙烯腈在綜合性能及生產(chǎn)成本等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此市場(chǎng)上見(jiàn)到的碳纖維基本上都是聚丙烯基碳纖維。

我國(guó)從上世紀(jì)60年代后期開(kāi)始研制碳纖維及原絲，但是發(fā)展較緩慢，直到進(jìn)入21世紀(jì)才迎來(lái)高速發(fā)展期。目前已經(jīng)成功規(guī)?；a(chǎn)東麗T300水平的碳纖維產(chǎn)品，T700級(jí)碳纖維也已進(jìn)入批量化生產(chǎn)，已經(jīng)形成主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)20余家，生產(chǎn)能力約8.5kt/a[3]。與日美等主要碳纖維生產(chǎn)國(guó)家相比，國(guó)產(chǎn)碳纖維在質(zhì)量及數(shù)量上仍有較大差距，但是國(guó)產(chǎn)T300及T700級(jí)碳纖維的規(guī)?；谝欢ǔ潭壬侠土耸澜缣祭w維的價(jià)格，為碳纖維進(jìn)入民用等普通領(lǐng)域創(chuàng)造了更優(yōu)越的條件。目前國(guó)產(chǎn)碳纖維及其制品正迎來(lái)高速發(fā)展期，隨著國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能及品質(zhì)的不斷提升，其已進(jìn)入到各行各業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。下面以逐漸熱門(mén)的碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用為主題著重闡述碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)及潛力。

2　碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中應(yīng)用的必要性及優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)樂(lè)器用主體材料大多為木材，并且樂(lè)器用木材對(duì)選材的要求非常高。首先要求不存在開(kāi)裂、節(jié)子、蟲(chóng)眼等缺陷，其次對(duì)木材的密度、年輪寬度、年輪數(shù)及微觀特征也有具體要求，因此適合制作樂(lè)器的木材只局限于少數(shù)的幾種木材，甚至這些木材的原木中的某些部位。例如從現(xiàn)在的生產(chǎn)看，生產(chǎn)樂(lè)器共鳴板的原木出材率一般在10%左右。同時(shí)當(dāng)前人們還面臨著世界性木材資源匱乏，適合制作樂(lè)器音板的木材更是少之又少。目前，國(guó)內(nèi)鋼琴生產(chǎn)企業(yè)面臨的最大問(wèn)題是木材尺寸穩(wěn)定性達(dá)不到技術(shù)要求，主要是由于木材的耐濕熱性能差，這可以通過(guò)高溫處理或二次干燥處理等措施來(lái)改善，以平衡木材吸水性，但是工藝相對(duì)復(fù)雜，隨著時(shí)間的推移樂(lè)器的質(zhì)量仍下降較明顯。

因此尋找新的可替代木材的樂(lè)器用材料具有重要意義，從古至今樂(lè)器制作者們一直沒(méi)有放棄嘗試用新的材料制作不同的樂(lè)器，樂(lè)器也在不斷地發(fā)展及演變。日本京都工藝?yán)w維大學(xué)的前川·善一郎教授早在2000年左右就專(zhuān)門(mén)研究對(duì)比了碳纖維復(fù)合材料與其它材料的振動(dòng)參數(shù)（試樣尺寸為280×70×2mm3），并試圖將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于樂(lè)器上，數(shù)據(jù)如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)碳纖維復(fù)合材料具有較高的比動(dòng)態(tài)彈性模量及較小的對(duì)數(shù)衰減系數(shù)，同時(shí)研究還表明通過(guò)單一的纖維方向的改變或與其它材料的復(fù)合可實(shí)現(xiàn)任意數(shù)值比動(dòng)態(tài)彈性模量及對(duì)數(shù)衰減系數(shù)的組合?？梢?jiàn)碳纖維不僅具有優(yōu)異的振動(dòng)特性，并且這種振動(dòng)特性還是可以根據(jù)創(chuàng)作師的要求任意設(shè)計(jì)的。

表1　各種纖維配向角度的CFRP與CFRP同樂(lè)器用材的振動(dòng)特性[4]

碳纖維復(fù)合材料由于具有比模量高、彎曲強(qiáng)度大、耐疲勞性能好，受環(huán)境溫度濕度影響小等特點(diǎn)，因此應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制備的樂(lè)器還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

2.1優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性

與傳統(tǒng)小提琴用木材相比，碳纖維復(fù)合材料擁有與木質(zhì)結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的各向異性結(jié)構(gòu)，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道這種各向異性結(jié)構(gòu)的材料是制備樂(lè)器用最好的材料。但碳纖維復(fù)合材料與木材不同的是，木材的結(jié)構(gòu)是天然的，不能改變，而碳纖維復(fù)合材料的纖維取向是可以隨意設(shè)計(jì)的，并且通過(guò)工藝及模具的控制可以將這種設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行較完好的復(fù)制，這是其它金屬、塑料等各向同性材料不可比擬的。

2.2抗物理?yè)p壞

碳纖維具有比強(qiáng)度和比模量高等顯著優(yōu)點(diǎn)，比強(qiáng)度及比模量分別是鋼的7倍和3倍還多，如表2所示。由于碳纖維復(fù)合材料任意界面都有成千上萬(wàn)根的小纖維組成，即使在強(qiáng)外力作用下有部分纖維破壞，通過(guò)基體樹(shù)脂也能將外力傳遞到其它纖維上而不會(huì)導(dǎo)致材料整體的破壞，因此碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐沖擊性能，制備出的碳纖維樂(lè)器更加耐意外性摔、碰等物理?yè)p壞，耐用性更好。

表2　幾種常見(jiàn)材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.3耐腐蝕

碳纖維復(fù)合材料主要由增強(qiáng)相的碳纖維及樹(shù)脂基體組成，其中碳纖維的含碳量在90%以上，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐腐蝕性出類(lèi)拔萃；而基體環(huán)氧樹(shù)脂由于具有較高的交聯(lián)密度，對(duì)生活中常見(jiàn)的酸、堿、水、油等也具有較好的抵抗性，并且通過(guò)改性樹(shù)脂基體的耐腐蝕性還可以進(jìn)一步提高。采用碳纖維制作的樂(lè)器具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。

2.4耐高溫

由于碳纖維的含碳量很高，一般都超過(guò)90%，所以導(dǎo)致其自身的含氧量較低，在無(wú)氧氣的條件下即使高達(dá)2000-3000℃高溫也不會(huì)自燃和熔融，甚至在空氣中也可以耐到500℃以上的高溫。而基體環(huán)氧樹(shù)脂一般都可以耐到300℃的高溫不裂解，在120℃以下復(fù)合材料的力學(xué)性能基本無(wú)變化。用碳纖維復(fù)合材料制備的樂(lè)器具有優(yōu)異的耐高溫性能。

2.5聲學(xué)品質(zhì)穩(wěn)定性好

傳統(tǒng)木質(zhì)小提琴一般都需要在恒溫恒濕的條件下保存，并且溫度和濕度不能太高，即使是這樣木質(zhì)小提琴在空氣中受水分及微生物等的作用會(huì)發(fā)生破裂及腐蝕，其聲學(xué)品質(zhì)隨時(shí)間延長(zhǎng)下降嚴(yán)重。而碳纖維小提琴就可以避免木質(zhì)小提琴的這些缺點(diǎn)，主要是由于碳纖維復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕、防潮、尺寸穩(wěn)定及抗微生物等特點(diǎn)，假如用碳纖維制作，小提琴音色在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍能保持很好的原始特點(diǎn)。

3　碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用舉例

3.1碳纖維在吉他上的應(yīng)用

早在1985年英刊《加強(qiáng)塑料》就報(bào)道了一種構(gòu)造新穎、技術(shù)領(lǐng)先的“無(wú)音品”膠合滑音碳纖維電吉他，已經(jīng)在英國(guó)和國(guó)際市場(chǎng)露面，在音樂(lè)界引起了很大反響[5]。1994年Simon Farmer of Gus Guitars公司將單向碳纖維制造吉他的頸部，以增強(qiáng)其抵抗因弦的張力而引起的彎曲，編織碳纖維與木質(zhì)音箱相連而構(gòu)成吉他的主體，在這種吉他上大量使用碳纖維不僅減輕了它的重量，而且使其強(qiáng)度更強(qiáng)，彈奏更舒適，并能產(chǎn)生優(yōu)美的共振音調(diào)[6]。同時(shí)據(jù)報(bào)道，英國(guó)Taytor工程塑料公司制造的碳纖維增強(qiáng)聚氨酯吉他音調(diào)優(yōu)美，彈奏歡快，輕質(zhì)高強(qiáng)，彈奏前不需重新調(diào)音。

3.2碳纖維在小提琴上的應(yīng)用

加拿大De Havilland飛機(jī)公司用單向高強(qiáng)石墨纖維T300環(huán)氧預(yù)浸料，采用真空袋和高壓釜制造了小提琴音響箱，提琴的其它部分使用傳統(tǒng)木料制成的。復(fù)合材料的使用使人們可能制造出具有同種音色的提琴。碳纖維提琴音色好，不掉漆，對(duì)濕熱環(huán)境不敏感。一般做一把木制提琴需要100-150小時(shí)，而同樣制作一把碳纖維小提琴的效率將明顯提高，降低了生產(chǎn)成本。

3.3碳纖維在京胡上的應(yīng)用

京胡是京劇演奏中的重要角色，傳統(tǒng)京胡采用竹材制作，其尺寸不容易控制，且竹制琴桿重量過(guò)輕，手感不好，容易損壞，演奏時(shí)發(fā)燥，音質(zhì)不好，影響演奏效果的缺點(diǎn)。而采用厚度為1-3mm的碳纖維復(fù)合材料制作的琴筒京胡，其質(zhì)地堅(jiān)硬結(jié)實(shí)，音質(zhì)音量佳，手感好，且不易損壞[7]。

3.4碳纖維在弦樂(lè)弓桿上的應(yīng)用

目前所使用的弦樂(lè)器中弓桿材料主要以巴西的伯爾南布克木為主，需要在自然環(huán)境下放置晾曬一年以上，然后進(jìn)烘房烘干，使木材的濕度控制在8%以?xún)?nèi)，再通過(guò)鋸、刨、鏟、挫的手工加工而成，烘烤成彎度基本一致的弓桿料。但是該料生長(zhǎng)緩慢，價(jià)格居高，同時(shí)由于選材的不同導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量也難以一致，使用的效果也不盡相同。采用碳纖維制作的弦樂(lè)器弓桿克服了以上木質(zhì)弓桿成本高、質(zhì)量不一致的缺點(diǎn)，提供了一種成本低、質(zhì)量穩(wěn)定的弦樂(lè)器弓桿制作方法[8]。

3.5碳纖維在鋼琴上的應(yīng)用

共鳴音板是鋼琴的重要部件，起到對(duì)琴弦振動(dòng)聲音的共振、美化與輻射作用傳統(tǒng)的鋼琴實(shí)木音板主要有實(shí)木音板及三層實(shí)木復(fù)合音板，前者選材極其苛刻，如對(duì)木材所含的天然缺陷數(shù)目、木材間的紋理色差、木材的生長(zhǎng)輪寬度與變異系數(shù)等有極高的要求，且穩(wěn)定性差；后者降低了選材的要求，尺寸穩(wěn)定性有所提高，但仍存在出材率低，整塊音板振動(dòng)均勻性差等缺點(diǎn)。目前，采用碳纖維復(fù)合材料的音板具有很好的振動(dòng)傳導(dǎo)性及力學(xué)性能，尺寸穩(wěn)定性以發(fā)音效果穩(wěn)定，音板各個(gè)方向的振動(dòng)傳播均勻，成本有所降低[9]。

3.6碳纖維在音箱上的應(yīng)用

揚(yáng)聲器振膜（俗稱(chēng)紙盆）是電聲轉(zhuǎn)換元件的重要組成部分，采用碳纖維制備的振膜高強(qiáng)高模，對(duì)聲音傳播速度快，聲音不僅豐滿(mǎn)動(dòng)聽(tīng)，還可避免失真現(xiàn)象的產(chǎn)生；不吸水，不變形，在任何環(huán)境下都能保證音高準(zhǔn)確，不像木質(zhì)紙盆，易受氣候潮濕影響，音響發(fā)生變化，造成的碳纖維紙因基本樹(shù)脂的阻尼性能好，可克服使用碳纖維時(shí)，內(nèi)部損耗小，高音域共振嚴(yán)重的缺點(diǎn)[10]。

3.7碳纖維在其他樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用

日本兩家拾音臂制造廠商SBR和Stax公司制造了碳纖維復(fù)合材料拾音臂，與傳統(tǒng)的拾音臂不一樣，它有一定的錐度，表面光滑，重量輕，拾音臂可移動(dòng)的突出端部是用20%的Grafil A-S碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂模壓而成。為了消除隨機(jī)出現(xiàn)的靜電荷，提高唱機(jī)的音響效果，英國(guó)Bettix公司采用注射模壓工藝制造了含20%石墨纖維的增強(qiáng)尼龍66觸針式磁頭外殼，該外殼還能提高剛度，減輕重量及延長(zhǎng)使用壽命。Fiberfil公司同樣采用Nylaid碳纖維增強(qiáng)尼龍，成功地制造了話筒屏蔽罩，講話時(shí)，聲源的直射聲波和反射聲波同時(shí)進(jìn)入屏蔽罩，屏蔽罩起著消除靜電，避免靜電影響聲音效果的作用，屏蔽罩的碳纖維含量為30%。更是有廠家將碳纖維制作信號(hào)線用于傳輸音頻信號(hào)，采用這種材質(zhì)的信號(hào)線不會(huì)像普通金屬導(dǎo)體那樣出現(xiàn)“集膚效應(yīng)”和由音頻金屬導(dǎo)線經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和化學(xué)處理后的全面影響，以及有這些問(wèn)題而引起的各種各樣的邊緣效應(yīng)，如聲音刺耳、音場(chǎng)表現(xiàn)失真等不良效果，這類(lèi)失真被統(tǒng)稱(chēng)為交越晶體失真，非常適用于各種場(chǎng)合的高保真信號(hào)傳輸[11]。

4　展望

雖然碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用起步較早，但是由于早期碳纖維較稀缺及相應(yīng)加工工藝單一，導(dǎo)致采用碳纖維的樂(lè)器大都價(jià)格昂貴。隨著國(guó)產(chǎn)碳纖維的大量供應(yīng)及價(jià)格下降，碳纖維樂(lè)器的成本逐漸降低，越來(lái)越多涉及碳纖維的樂(lè)器正逐漸走入尋常百姓家。中國(guó)作為樂(lè)器出口的第一大國(guó)，采用碳纖維制作的樂(lè)器具有較高的附加價(jià)值及廣闊的市場(chǎng)前景，國(guó)產(chǎn)碳纖維樂(lè)器的普及將對(duì)國(guó)家出口創(chuàng)匯及提高“中國(guó)制造”的品牌內(nèi)涵大有裨益。但針對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維樂(lè)器的研發(fā)及生產(chǎn)現(xiàn)狀，仍存在以下方面的不足：

1）碳纖維復(fù)合材料在聲學(xué)方面的基礎(chǔ)性研究薄弱甚至空白，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)碳纖維樂(lè)器的制作沒(méi)有可供借鑒的理論指導(dǎo)；

2）產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作不足，尤其是國(guó)內(nèi)碳纖維樂(lè)器制作廠家與樂(lè)器制作大師、演奏大師間缺少交流與合作，阻礙了國(guó)產(chǎn)碳纖維樂(lè)器的進(jìn)一步研發(fā)與提高；

3）碳纖維樂(lè)器的科普宣傳力度不足，市場(chǎng)上普遍對(duì)碳纖維復(fù)合材料不了解，認(rèn)為碳纖維就是傳統(tǒng)的塑料，從而形成了“先入為主”的心理抵觸情緒，不利于碳纖維樂(lè)器的普及。目前，國(guó)內(nèi)與國(guó)外碳纖維樂(lè)器的研究基本上處在同一起跑線上，這既是一種機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)。機(jī)遇是假如國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)能掌握先機(jī)就能不斷推出品質(zhì)優(yōu)良的新產(chǎn)品，站在行業(yè)最前端，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及核心競(jìng)爭(zhēng)力；挑戰(zhàn)是由于沒(méi)有可供借鑒或指導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)或理論依據(jù)，各個(gè)企業(yè)只能在前期投入大量精力進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，面臨產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)及市場(chǎng)接受度低等各方面的風(fēng)險(xiǎn)。

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TheapplicationsofcarbonfiberinMusicalInstruments

ZHOU Heng-xiang GU Liang-e SHANG WU-lin ZHANG Si-wei
(Lianyungang Shenying Carbon Fiber Bicycle Co., Ltd, Jiangsu,lianyungang 222000, China)

Firstly, the performance, classification, and development situation at home and abroad of carbon fiber were described. Secondly, we particularly analyzed the necessity and advantages of its applications in musical instruments, and the musical instruments made by it and their characteristics were listed and discribed. Finally, the further applications of it on musical instruments was discussed.

carbon fiber; composites; musical instrument

TS194.4

B

投稿日期：2015-09-28

周恒香（1963-），1985年7年畢業(yè)，2006年獲高級(jí)工程師資格，2008年獲高級(jí)經(jīng)濟(jì)師資格，2011年獲連云港市政府特殊津貼。