碳纖維在樂器領域中的應用

周恒香　顧良娥　尚武林　張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車有限責任公司，江蘇連云港　222000）

碳纖維在樂器領域中的應用

周恒香顧良娥尚武林張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車有限責任公司，江蘇連云港222000）

介紹了碳纖維的性能、分類，以及國內外的發(fā)展概況，并著重分析了其在樂器領域中應用的必要性及優(yōu)越性，舉例說明了已經(jīng)開始研發(fā)或應用的碳纖維樂器及其性能特點，并對碳纖維進一步在樂器上的應用進行了展望。

碳纖維；復合材料；樂器

碳纖維是指碳的質量分數(shù)占到90%以上，既有碳素材料的結構特性又有纖維形態(tài)特征的一種高性能纖維，具有一系列優(yōu)良性能，廣泛應用于航空航天、機械設備、建筑交通、文體醫(yī)療等領域，在國防軍工及國民經(jīng)濟中有著重要的戰(zhàn)略地位。本文基于碳纖維的特性及發(fā)展趨勢，就碳纖維在樂器領域中的應用展開討論。

1　碳纖維

碳纖維在1879年愛迪生獲得制造電燈中碳絲的專利時就已經(jīng)存在了，但是直到上世紀60年代初航空航天工業(yè)亟需性能更優(yōu)的輕質材料時才開始了碳纖維的商業(yè)化生產(chǎn)[1]。作為一種碳素材料，它具有優(yōu)良的力學性能、耐熱性能（在2000℃的高溫惰性氣體中強度不降低）、化學穩(wěn)定性、電熱傳導性、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。同時作為一種纖維材料，還具有纖維的柔軟可編織性，力學性能沿纖維軸向強度較高的各向異性，與其他材料組成復合材料還具有良好的結構可設計性。因此，目前幾乎沒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：1）聚丙烯腈基碳纖維，是由聚丙烯腈經(jīng)紡絲、預氧、碳化幾個階段形成，具有較優(yōu)異的力學性能；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、碳化等過程而制得，是理想的耐燒蝕、隔熱、熱防護、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、預氧化、碳化或石墨化而制成，具有優(yōu)良的傳熱、導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，因此市場上見到的碳纖維基本上都是聚丙烯基碳纖維。

我國從上世紀60年代后期開始研制碳纖維及原絲，但是發(fā)展較緩慢，直到進入21世紀才迎來高速發(fā)展期。目前已經(jīng)成功規(guī)模化生產(chǎn)東麗T300水平的碳纖維產(chǎn)品，T700級碳纖維也已進入批量化生產(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)國家相比，國產(chǎn)碳纖維在質量及數(shù)量上仍有較大差距，但是國產(chǎn)T300及T700級碳纖維的規(guī)模化在一定程度上拉低了世界碳纖維的價格，為碳纖維進入民用等普通領域創(chuàng)造了更優(yōu)越的條件。目前國產(chǎn)碳纖維及其制品正迎來高速發(fā)展期，隨著國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能及品質的不斷提升，其已進入到各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。下面以逐漸熱門的碳纖維在樂器領域中的應用為主題著重闡述碳纖維在樂器領域應用的優(yōu)點及潛力。

2　碳纖維在樂器領域中應用的必要性及優(yōu)點

傳統(tǒng)樂器用主體材料大多為木材，并且樂器用木材對選材的要求非常高。首先要求不存在開裂、節(jié)子、蟲眼等缺陷，其次對木材的密度、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)樂器共鳴板的原木出材率一般在10%左右。同時當前人們還面臨著世界性木材資源匱乏，適合制作樂器音板的木材更是少之又少。目前，國內鋼琴生產(chǎn)企業(yè)面臨的最大問題是木材尺寸穩(wěn)定性達不到技術要求，主要是由于木材的耐濕熱性能差，這可以通過高溫處理或二次干燥處理等措施來改善，以平衡木材吸水性，但是工藝相對復雜，隨著時間的推移樂器的質量仍下降較明顯。

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

表1　各種纖維配向角度的CFRP與CFRP同樂器用材的振動特性[4]

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

2.1優(yōu)異的結構可設計性

與傳統(tǒng)小提琴用木材相比，碳纖維復合材料擁有與木質結構相類似的各向異性結構，據(jù)文獻報道這種各向異性結構的材料是制備樂器用最好的材料。但碳纖維復合材料與木材不同的是，木材的結構是天然的，不能改變，而碳纖維復合材料的纖維取向是可以隨意設計的，并且通過工藝及模具的控制可以將這種設計的結構進行較完好的復制，這是其它金屬、塑料等各向同性材料不可比擬的。

2.2抗物理損壞

碳纖維具有比強度和比模量高等顯著優(yōu)點，比強度及比模量分別是鋼的7倍和3倍還多，如表2所示。由于碳纖維復合材料任意界面都有成千上萬根的小纖維組成，即使在強外力作用下有部分纖維破壞，通過基體樹脂也能將外力傳遞到其它纖維上而不會導致材料整體的破壞，因此碳纖維復合材料具有優(yōu)異的耐沖擊性能，制備出的碳纖維樂器更加耐意外性摔、碰等物理損壞，耐用性更好。

表2　幾種常見材料的力學性能數(shù)據(jù)

2.3耐腐蝕

碳纖維復合材料主要由增強相的碳纖維及樹脂基體組成，其中碳纖維的含碳量在90%以上，在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐腐蝕性出類拔萃；而基體環(huán)氧樹脂由于具有較高的交聯(lián)密度，對生活中常見的酸、堿、水、油等也具有較好的抵抗性，并且通過改性樹脂基體的耐腐蝕性還可以進一步提高。采用碳纖維制作的樂器具有優(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90%，所以導致其自身的含氧量較低，在無氧氣的條件下即使高達2000-3000℃高溫也不會自燃和熔融，甚至在空氣中也可以耐到500℃以上的高溫。而基體環(huán)氧樹脂一般都可以耐到300℃的高溫不裂解，在120℃以下復合材料的力學性能基本無變化。用碳纖維復合材料制備的樂器具有優(yōu)異的耐高溫性能。

2.5聲學品質穩(wěn)定性好

傳統(tǒng)木質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，即使是這樣木質小提琴在空氣中受水分及微生物等的作用會發(fā)生破裂及腐蝕，其聲學品質隨時間延長下降嚴重。而碳纖維小提琴就可以避免木質小提琴的這些缺點，主要是由于碳纖維復合材料具有耐高溫、耐腐蝕、防潮、尺寸穩(wěn)定及抗微生物等特點，假如用碳纖維制作，小提琴音色在較長時間內仍能保持很好的原始特點。

3　碳纖維在樂器領域中的應用舉例

3.1碳纖維在吉他上的應用

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

3.2碳纖維在小提琴上的應用

加拿大De Havilland飛機公司用單向高強石墨纖維T300環(huán)氧預浸料，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，對濕熱環(huán)境不敏感。一般做一把木制提琴需要100-150小時，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，且竹制琴桿重量過輕，手感不好，容易損壞，演奏時發(fā)燥，音質不好，影響演奏效果的缺點。而采用厚度為1-3mm的碳纖維復合材料制作的琴筒京胡，其質地堅硬結實，音質音量佳，手感好，且不易損壞[7]。

3.4碳纖維在弦樂弓桿上的應用

目前所使用的弦樂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，然后進烘房烘干，使木材的濕度控制在8%以內，再通過鋸、刨、鏟、挫的手工加工而成，烘烤成彎度基本一致的弓桿料。但是該料生長緩慢，價格居高，同時由于選材的不同導致產(chǎn)品質量也難以一致，使用的效果也不盡相同。采用碳纖維制作的弦樂器弓桿克服了以上木質弓桿成本高、質量不一致的缺點，提供了一種成本低、質量穩(wěn)定的弦樂器弓桿制作方法[8]。

3.5碳纖維在鋼琴上的應用

共鳴音板是鋼琴的重要部件，起到對琴弦振動聲音的共振、美化與輻射作用傳統(tǒng)的鋼琴實木音板主要有實木音板及三層實木復合音板，前者選材極其苛刻，如對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，整塊音板振動均勻性差等缺點。目前，采用碳纖維復合材料的音板具有很好的振動傳導性及力學性能，尺寸穩(wěn)定性以發(fā)音效果穩(wěn)定，音板各個方向的振動傳播均勻，成本有所降低[9]。

3.6碳纖維在音箱上的應用

揚聲器振膜（俗稱紙盆）是電聲轉換元件的重要組成部分，采用碳纖維制備的振膜高強高模，對聲音傳播速度快，聲音不僅豐滿動聽，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確，不像木質紙盆，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脂的阻尼性能好，可克服使用碳纖維時，內部損耗小，高音域共振嚴重的缺點[10]。

3.7碳纖維在其他樂器領域中的應用

日本兩家拾音臂制造廠商SBR和Stax公司制造了碳纖維復合材料拾音臂，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，拾音臂可移動的突出端部是用20%的Grafil A-S碳纖維增強樹脂模壓而成。為了消除隨機出現(xiàn)的靜電荷，提高唱機的音響效果，英國Bettix公司采用注射模壓工藝制造了含20%石墨纖維的增強尼龍66觸針式磁頭外殼，該外殼還能提高剛度，減輕重量及延長使用壽命。Fiberfil公司同樣采用Nylaid碳纖維增強尼龍，成功地制造了話筒屏蔽罩，講話時，聲源的直射聲波和反射聲波同時進入屏蔽罩，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線用于傳輸音頻信號，采用這種材質的信號線不會像普通金屬導體那樣出現(xiàn)“集膚效應”和由音頻金屬導線經(jīng)過機械加工和化學處理后的全面影響，以及有這些問題而引起的各種各樣的邊緣效應，如聲音刺耳、音場表現(xiàn)失真等不良效果，這類失真被統(tǒng)稱為交越晶體失真，非常適用于各種場合的高保真信號傳輸[11]。

4　展望

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

1）碳纖維復合材料在聲學方面的基礎性研究薄弱甚至空白，導致國內碳纖維樂器的制作沒有可供借鑒的理論指導；

2）產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作不足，尤其是國內碳纖維樂器制作廠家與樂器制作大師、演奏大師間缺少交流與合作，阻礙了國產(chǎn)碳纖維樂器的進一步研發(fā)與提高；

3）碳纖維樂器的科普宣傳力度不足，市場上普遍對碳纖維復合材料不了解，認為碳纖維就是傳統(tǒng)的塑料，從而形成了“先入為主”的心理抵觸情緒，不利于碳纖維樂器的普及。目前，國內與國外碳纖維樂器的研究基本上處在同一起跑線上，這既是一種機遇，也是一種挑戰(zhàn)。機遇是假如國內相關企業(yè)能掌握先機就能不斷推出品質優(yōu)良的新產(chǎn)品，站在行業(yè)最前端，形成自主知識產(chǎn)權及核心競爭力；挑戰(zhàn)是由于沒有可供借鑒或指導的經(jīng)驗或理論依據(jù)，各個企業(yè)只能在前期投入大量精力進行技術攻關，面臨產(chǎn)品研發(fā)周期長及市場接受度低等各方面的風險。

[1]丁權.全球碳纖維發(fā)展動態(tài)[J].玻璃纖維.2009(3):44-47.

[2]上官倩芡，蔡泖華.碳纖維及其復合材料的發(fā)展及應用[J].上海師范大學學報（自然科學版）.2008,37(3): 275-279.

[3]戎光道.我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J].合成纖維工業(yè).2013.(36):41-45.

[4]前川·善一郎.使用FRP的樂器用代替材料的設計（一）樂器用代替材料的振動特性.纖維復合材料.2000,55（4）:55-59.

[5]曹天厚.用聚氨基甲酸酯加強的碳纖維電吉它[J].樂器. 1986(5):25.

[6]郭新生.用碳纖維制造樂器[J].特種纖維與復合材料簡報.1995(10):12.

[7]石學鋒.碳纖維琴筒京胡[P].中國專利：202601155U. 2012-12-12.

[8]朱富良.一種木材與碳纖維復合的弦樂器弓桿及其制作方法[P].中國專利：101083072A，2007-12-05.

[9]東北林業(yè)大學.實木碳纖維布復合音板[P],中國專利：202512861 U,2012-08-22.

[10]趙君，胡健，梁云，鄭熾嵩.碳纖維紙及其應用[J]. Paper and Paper Making.2007,26(5):75-78.

[11]一道.XINDAK(新德克)CFA-1B碳纖維平衡信號線[J].視聽技術.2008(8):74-75.

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年獲高級工程師資格，2008年獲高級經(jīng)濟師資格，2011年獲連云港市政府特殊津貼。