碳纤维在乐器领域中的应用

周恒香　顾良娥　尚武林　张斯纬

（连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司，江苏连云港　222000）

碳纤维在乐器领域中的应用

周恒香顾良娥尚武林张斯纬

（连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司，江苏连云港222000）

介绍了碳纤维的性能、分类，以及国内外的发展概况，并着重分析了其在乐器领域中应用的必要性及优越性，举例说明了已经开始研发或应用的碳纤维乐器及其性能特点，并对碳纤维进一步在乐器上的应用进行了展望。

碳纤维；复合材料；乐器

碳纤维是指碳的质量分数占到90%以上，既有碳素材料的结构特性又有纤维形态特征的一种高性能纤维，具有一系列优良性能，广泛应用于航空航天、机械设备、建筑交通、文体医疗等领域，在国防军工及国民经济中有着重要的战略地位。本文基于碳纤维的特性及发展趋势，就碳纤维在乐器领域中的应用展开讨论。

1　碳纤维

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，但是直到上世纪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[1]。作为一种碳素材料，它具有优良的力学性能、耐热性能（在2000℃的高温惰性气体中强度不降低）、化学稳定性、电热传导性、低热膨胀性、X射线透射性、电磁波遮蔽性、生物体亲和性，且密度低、耐摩擦、耐腐蚀等特点。同时作为一种纤维材料，还具有纤维的柔软可编织性，力学性能沿纤维轴向强度较高的各向异性，与其他材料组成复合材料还具有良好的结构可设计性。因此，目前几乎没有其他材料像碳纤维具有那么多的优异性能。

根据制备碳纤维原料的不同可将碳纤维主要分为三类：1）聚丙烯腈基碳纤维，是由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成，具有较优异的力学性能；2）粘胶基碳纤维，是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经脱水、热解、碳化等过程而制得，是理想的耐烧蚀、隔热、热防护、环保和医用卫生材料；3）沥青基碳纤维，是以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成，具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数[2]。由于聚丙烯腈在综合性能及生产成本等方面具有较大的优势，因此市场上见到的碳纤维基本上都是聚丙烯基碳纤维。

我国从上世纪60年代后期开始研制碳纤维及原丝，但是发展较缓慢，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级碳纤维也已进入批量化生产，已经形成主要碳纤维生产企业20余家，生产能力约8.5kt/a[3]。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，但是国产T300及T700级碳纤维的规模化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。目前国产碳纤维及其制品正迎来高速发展期，随着国产碳纤维产能及品质的不断提升，其已进入到各行各业中发挥着越来越重要的作用。下面以逐渐热门的碳纤维在乐器领域中的应用为主题着重阐述碳纤维在乐器领域应用的优点及潜力。

2　碳纤维在乐器领域中应用的必要性及优点

传统乐器用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，甚至这些木材的原木中的某些部位。例如从现在的生产看，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，随着时间的推移乐器的质量仍下降较明显。

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，乐器也在不断地发展及演变。日本京都工艺纤维大学的前川·善一郎教授早在2000年左右就专门研究对比了碳纤维复合材料与其它材料的振动参数（试样尺寸为280×70×2mm3），并试图将碳纤维复合材料应用于乐器上，数据如表1所示。从表中数据可见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，同时研究还表明通过单一的纤维方向的改变或与其它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。

表1　各种纤维配向角度的CFRP与CFRP同乐器用材的振动特性[4]

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：

2.1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用最好的材料。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，这是其它金属、塑料等各向同性材料不可比拟的。

2.2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，如表2所示。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它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。

表2　几种常见材料的力学性能数据

2.3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。

2.4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。

2.5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。

3　碳纤维在乐器领域中的应用举例

3.1碳纤维在吉他上的应用

早在1985年英刊《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[5]。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[6]。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。

3.2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，提琴的其它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。

3.3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[7]。

3.4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[8]。

3.5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[9]。

3.6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，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[10]。

3.7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，成功地制造了话筒屏蔽罩，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[11]。

4　展望

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：

1）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；

2）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；

3）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上处在同一起跑线上，这既是一种机遇，也是一种挑战。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或理论依据，各个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的风险。

[1]丁权.全球碳纤维发展动态[J].玻璃纤维.2009(3):44-47.

[2]上官倩芡，蔡泖华.碳纤维及其复合材料的发展及应用[J].上海师范大学学报（自然科学版）.2008,37(3): 275-279.

[3]戎光道.我国碳纤维产业发展现状及建议[J].合成纤维工业.2013.(36):41-45.

[4]前川·善一郎.使用FRP的乐器用代替材料的设计（一）乐器用代替材料的振动特性.纤维复合材料.2000,55（4）:55-59.

[5]曹天厚.用聚氨基甲酸酯加强的碳纤维电吉它[J].乐器. 1986(5):25.

[6]郭新生.用碳纤维制造乐器[J].特种纤维与复合材料简报.1995(10):12.

[7]石学锋.碳纤维琴筒京胡[P].中国专利：202601155U. 2012-12-12.

[8]朱富良.一种木材与碳纤维复合的弦乐器弓杆及其制作方法[P].中国专利：101083072A，2007-12-05.

[9]东北林业大学.实木碳纤维布复合音板[P],中国专利：202512861 U,2012-08-22.

[10]赵君，胡健，梁云，郑炽嵩.碳纤维纸及其应用[J]. Paper and Paper Making.2007,26(5):75-78.

[11]一道.XINDAK(新德克)CFA-1B碳纤维平衡信号线[J].视听技术.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年毕业，2006年获高级工程师资格，2008年获高级经济师资格，2011年获连云港市政府特殊津贴。