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碳纤维在乐器领域中的应用
周恒香 顾良娥 尚武林/文 2014/10/29
碳纤维在1879年爱迪生获得制造电灯中碳丝的专利时就已经存在了,但是直到20世纪60年代初航空航天工业亟需性能更优的轻质材料时才开始了碳纤维的商业化生产。
我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维及原丝,发展较缓慢,直到进入21世纪才迎来高速发展期。目前已经成功规模化生产东丽T300水平的碳纤维产品,T700级进入批量化生产阶段,我国主要碳纤维生产企业20余家,年生产能力约8500吨。与日美等主要碳纤维生产国家相比,国产碳纤维在质量及数量上仍有较大差距,但是在一定程度上拉低了世界碳纤维的价格,为碳纤维进入民用等普通领域创造了更优越的条件。
近年来,碳纤维材料越来越多地走进人们的视线,不仅仅在航空航天、交通及建筑等领域大显身手,开启了制造材料的新方向,而且随着技术水平的提高,日常生活中随处可见碳纤维的身影。现在,碳纤维也引发了音乐领域的关注,碳纤维乐器应运而生。
 
碳纤维在乐器领域中的应用必要性
 
传统乐器的主体材料大多为木材,并且乐器用木材对选材的要求非常高。首先要求不存在开裂、节子、虫眼等缺陷,其次对木材的密度、年轮宽度、年轮数及微观特征也有具体要求,因此适合制作乐器的木材只局限于少数的几种木材,甚至是这些木材原木中的某一特定部位。
从现在的生产看,生产乐器共鸣板的原木出材率一般在10%左右。同时当前人们还面临着世界性木材资源匮乏,适合制作乐器音板的木材更是少之又少。目前,国内钢琴生产企业面临的最大问题是木材尺寸稳定性达不到技术要求,主要是由于木材的耐湿热性能差,这可以通过高温处理或二次干燥处理等措施来改善,以平衡木材吸水性,但是工艺相对复杂,同时随着时间的推移,乐器的质量下降较明显。
因此寻找新的可替代木材的乐器用材料具有重要意义,从古至今乐器制作者们一直没有放弃尝试用新的材料制作不同的乐器,而乐器也在不断发展和演变。日本京都工艺纤维大学的前川•善一郎教授早在2000年就专门研究对比了碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维与其他材料的振动参数,并试图将碳纤维复合材料应用于乐器上。
研究表明,碳纤维复合材料具有较高的比动态弹性模量及较小的对数衰减系数,通过单一的纤维方向的改变或与其他材料的复合可实现任意数值比动态弹性模量及对数衰减系数的组合。可见碳纤维不仅具有优异的振动特性,并且这种振动特性还是可以根据创作师的要求任意设计的。
碳纤维复合材料由于具有比模量高、弯曲强度大、耐疲劳性能好,受环境温度湿度影响小等特点,因此应用碳纤维复合材料制备的乐器还具有以下优点。
优异的结构可设计性。与传统小提琴用木材相比,碳纤维复合材料拥有与木质结构相类似的各向异性结构,据文献报道这种各向异性结构的材料是制备乐器最好的材料。但碳纤维复合材料与木材不同的是,木材的结构是天然的,不能改变,而碳纤维复合材料的纤维取向是可以随意设计的,并且通过工艺及模具的控制可以将这种设计的结构进行较完好的复制,这是其他金属、塑料等各向同性材料不可比拟的。
抗物理损坏。碳纤维具有比强度和比模量高等显著优点,比强度及比模量分别是钢的7倍和3倍还多。由于碳纤维复合材料任意界面都有成千上万根的小纤维组成,即使在强外力作用下有部分纤维破坏,通过基体树脂也能将外力传递到其他纤维上而不会导致材料整体的破坏,因此碳纤维复合材料具有优异的耐冲击性能,制备出的碳纤维乐器更加耐意外性摔、碰等物理损坏,耐用性更好。
耐腐蚀。碳纤维复合材料主要由增强相的碳纤维及树脂基体组成,其中碳纤维的含碳量在90%以上,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐腐蚀性出类拔萃;而基体环氧树脂由于具有较高的交联密度,对生活中常见的酸、碱、水、油等也具有较好的抵抗性,并且通过改性树脂基体的耐腐蚀性还可以进一步提高。采用碳纤维制作的乐器具有优异的耐腐蚀性能。
耐高温。由于碳纤维的含碳量很高,一般都超过90%,所以导致其自身的含氧量较低,在无氧气的条件下即使高达2000~3000℃高温也不会自燃和熔融,甚至在空气中也可以耐到500℃以上的高温。而基体环氧树脂一般都可以耐到300℃的高温不裂解,在120℃以下复合材料的力学性能基本无变化。用碳纤维复合材料制备的乐器具有优异的耐高温性能。
声学品质稳定性好。传统木质小提琴一般都需要在恒温恒湿的条件下保存,并且温度和湿度不能太高,即使是这样木质小提琴在空气中受水分及微生物等的作用会发生破裂及腐蚀,其声学品质随时间延长下降严重。而碳纤维小提琴就可以避免木质小提琴的这些缺点,主要是由于碳纤维复合材料具有耐高温、耐腐蚀、防潮、尺寸稳定及抗微生物等特点,假如用碳纤维制作,小提琴音色在较长时间内仍能保持很好的原始特点。
 
碳纤维在乐器领域中的应用举例
 
碳纤维在吉他上的应用 
早在1985年英文刊《加强塑料》就报道了一种构造新颖、技术领先的”无音品”胶合滑音碳纤维电吉他,已经在英国和国际市场露面,在音乐界引起了很大反响。1994年Simon Farmer of Gus Guitars公司将单向碳纤维制造吉他的颈部,以增强其抵抗因弦的张力而引起的弯曲,编织碳纤维与木质音箱相连而构成吉他的主体,在这种吉他上大量使用碳纤维不仅减轻了它的重量,而且使其强度更强,弹奏更舒适,并能产生优美的共振音调。同时据报道,英国Taytor工程塑料公司制造的碳纤维增强聚氨酯吉他音调优美,弹奏欢快,轻质高强,弹奏前不需重新调音。
 
碳纤维在小提琴上的应用
 
加拿大De Havilland飞机公司用单向高强石墨纤维T300环氧预浸料,采用真空袋和高压釜制造了小提琴音响箱,提琴的其他部分使用传统木料制成的。复合材料的使用使人们可能制造出具有同种音色的提琴。碳纤维提琴音色好,不掉漆,对湿热环境不敏感。一般做一把木制提琴需要100~150小时,而同样制作一把碳纤维小提琴的效率将明显提高,降低了生产成本。
 
碳纤维在京胡上的应用
 
京胡是京剧演奏中的重要角色,传统京胡采用竹材制作,其尺寸不容易控制,且竹制琴杆重量过轻,手感不好,容易损坏,演奏时发燥,音质不好,影响演奏效果的缺点。而采用厚度为1~3mm的碳纤维复合材料制作的琴筒京胡,其质地坚硬结实,音质音量佳,手感好,且不易损坏。
 
碳纤维在弦乐弓杆上的应用
 
目前所使用的弦乐器中弓杆材料主要以巴西的伯尔南布克木为主,需要在自然环境下放置晾晒一年以上,然后进烘房烘干,使木材的湿度控制在8%以内,再通过锯、刨、铲、挫的手工加工而成,烘烤成弯度基本一致的弓杆料。但是该料生长缓慢,价格居高,同时由于选材的不同导致产品质量也难以一致,使用的效果也不尽相同。采用碳纤维制作的弦乐器弓杆克服了以上木质弓杆成本高、质量不一致的缺点,提供了一种成本低、质量稳定的弦乐器弓杆制作方法。
 
碳纤维在钢琴上的应用
 
共鸣音板是钢琴的重要部件,起到对琴弦振动声音的共振、美化与辐射作用传统的钢琴实木音板主要有实木音板及三层实木复合音板,前者选材极其苛刻,如对木材所含的天然缺陷数目、木材间的纹理色差、木材的生长轮宽度与变异系数等有极高的要求,且稳定性差;后者降低了选材的要求,尺寸稳定性有所提高,但仍存在出材率低,整块音板振动均匀性差等缺点。目前,采用碳纤维复合材料的音板具有很好的振动传导性及力学性能,尺寸稳定性以发音效果稳定,音板各个方向的振动传播均匀,成本有所降低。
 
碳纤维在音箱上的应用
 
扬声器振膜(俗称纸盆)是电声转换元件的重要组成部分,采用碳纤维制备的振膜高强高模、对声音传播速度快,声音不仅丰满动听,还可避免失真现象的产生;不吸水,不变形,在任何环境下都能保证音高准确,不像木质纸盆,易受气候潮湿影响,音响发生变化,抄造成的碳纤维纸因基本树脂的阻尼性能好,可克服使用碳纤维时,内部损耗小,高音域共振严重的缺点。
 
碳纤维在其他乐器领域中的应用
 
日本两家拾音臂制造厂商SBR和Stax公司制造了碳纤维复合材料拾音臂,与传统的拾音臂不一样,它有一定的锥度,表面光滑,重量轻,拾音臂可移动的突出端部是用20%的Grafil A-S碳纤维增强树脂模压而成。为了消除了消除随机出现的静电荷,提高唱机的音响效果,英国Bettix公司采用注射模压工艺制造了含20%石墨纤维的增强尼龙66触针式磁头外壳,该外壳还能提高刚度,减轻重量及延长使用寿命。Fiberfil公司同样采用Nylaid碳纤维增强尼龙成功的制造了话筒屏蔽罩,讲话时,声源的直射声波和反射声波同时进入屏蔽罩,屏蔽罩起着消除静电,避免静电影响声音效果的作用,屏蔽罩的碳纤维含量为30%。更是有厂家将碳纤维制作信号线用于传输音频信号,采用这种材质的信号线不会像普通金属导体那样出现“集肤效应”和由音频金属导线经过机械加工和化学处理后的全面影响,以及有这些问题而引起的各种各样的边缘效应,如声音刺耳、音场表现失真等不良效果,这类失真被统称为交越晶体失真,非常适用于各种场合的高保真信号传输。
虽然碳纤维在乐器领域中的应用起步较早,但是由于早期碳纤维较稀缺及相应加工工艺单一,导致采用碳纤维的乐器大都价格昂贵。随着国产碳纤维的大量供应及价格下降,碳纤维乐器的成本逐渐降低,越来越多涉及碳纤维的乐器正逐渐走入寻常百姓家。中国作为乐器出口的第一大国,采用碳纤维制作的乐器具有较高的附加价值及广阔的市场前景,国产碳纤维乐器的普及将对国家出口创汇及提高”中国制造”的品牌内涵大有裨益。
但针对国产碳纤维乐器的研发及生产现状,仍存在以下方面的不足:碳纤维复合材料在声学方面的基础性研究薄弱甚至空白,导致国内碳纤维乐器的制作没有可供借鉴的理论指导;产业链上下游的合作不足,尤其是国内碳纤维乐器制作厂家与乐器制作大师、演奏大师间缺少交流与合作,阻碍了国产碳纤维乐器的进一步研发与提高;碳纤维乐器的科普宣传力度不足,市场上普遍对碳纤维复合材料不了解,认为碳纤维就是传统的塑料,从而形成了“先入为主”的心理抵触情绪,不利于碳纤维乐器的普及。
目前,国内与国外碳纤维乐器的研究基本处在同一起跑线,这既是机遇也是挑战。机遇是假如国内相关企业能掌握先机就能不断推出品质优良的新产品,站在行业最前端,形成自主知识产权及核心竞争力;挑战是由于没有可供借鉴或指导的经验和理论依据,企业只能在前期投入大量精力进行技术攻关,面临产品研发周期长及市场接受度低等各方面问题。
 
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