碳纤维材料乐器制作初探

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　　【摘要】伴随着科技的发展与环境保护意识的增强，制作乐器的材料由传统木材或动物皮革，逐渐替换为使用人造新材料。制作乐器的新材料由工程塑料发展至碳纤维，再至生物复合材料与仿生材料。本文以新材料研究为主题，对用于乐器制作的碳纤维材料展开研究，探讨其中的的优势与不足，为乐器材料研究的发展提供可参考依据。
　　【关键词】乐器制作;碳纤维;声学性能;改革发展
　　【中图分类号】J639                             【文献标识码】A
　　一、乐器新材料的发展使用
　　新材料乐器的研究发展自二十世纪中期取得一定成果。因新材料更优于木材的稳定性，于是大多应用于乐器构架方面，减少乐器因拉力或温湿度变化造成的形变。如1994年在伦敦音乐展览会上展出的用单项和编织碳纤维增强材料制作的吉他琴颈，增强了其因抵抗琴弦张力而引起的弯曲，同时减轻了吉他的重量。
　　现今，人们对乐器新材料的研究主要偏向于音源系统的制作，早至1975年，音板由复合材料所制的吉他与小提琴就以问世。在乐器市场中，我们不难发现许多由新材料所制音源系统的西洋管弦乐器，随着时间的推移，它们的制作发展愈加专业。著名世界级大提琴演奏家马友友先生曾为前美国总统奥巴马演奏大提琴，他选择的是一把全琴由碳纤维制成的大提琴，并予以好评。于此，我们可知，新材料乐器的使用不再只针对低端价位普及琴的生产，其逐渐得到专业音乐家的认可，并走向专业化、高端化的生产。
　　新材料乐器能够得到消费者、音乐爱好者甚至音乐家的认可，主要因其以下几点优于传统材料的性能。
　　其一，受环境影响较低。传统乐器材料受温湿度、光照等环境因素影响较大，在不同的环境下使用会产生一定量的形变或音色变化，严重时会对乐器造成不可估量的伤害。而新材料乐器恰恰可以弥补这一缺陷，它能有效应对各种天气变化，适应各种环境下的演奏。
　　其二，不易形变。乐器的形变除环境影响之外，还有乐器自身力学构造的影响，如吉他、钢琴、提琴以及中国传统乐器胡琴。传统木质结构无法适应琴弦长期紧挂带来的拉力，例如钢琴在音准稳定的情况下，各琴弦拉力相加约20吨，如长期不进行调律维护，则会产生跑音与形变的情况。新材料不同于传统木材，碳纤维材料的强度远远高于木材，可有效抵抗因琴弦拉力带来的形变。
　　其三，更高的生产效率。不同于木材的加工，新材料在制作乐器时无需经过烘干加工过程，甚至无需粘连，可整体塑形。并且，传统木材与皮革的养成需要较为漫长的时间周期，而人造新材料可随时生产供应，一旦生产线形成，便可大批量供给，大大减少了乐器制作的周转过程。
　　其四，有利于环境与动植物的保护。随着城市的发展与人类栖息地的扩张，植被与动物的生存受到了严重的破坏，生产高端或特定乐器所需要从大自然摄取的材料变得越来越少，新材料的替代，可使这一情况得到好转，更符合科学发展的观念。
　　二、碳纤维材料的性能与应用
　　碳素纤维在日常生活中的应用已极为广泛，其是指材料中碳的质量达百分之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材料。碳纤维材料在乐器制作中的应用经历了20余年的考验，事实证明，在中端乐器市场中来看，碳素纤维乐器的制造与质量相对于传统材料所制乐器，在性能方面表现得更加优秀。
　　（一）碳纤维材料的制备
　　碳纤维的发现与研究早在爱迪生1879年申请制造电灯碳丝的时候就已开展，但是到了20世纪60年代前后，因航空材料的需求，更优质的碳纤维材料逐步进入商业化生产过程。碳纤维材料具有极多的优点：密度低，质量轻，耐高温，耐腐蚀等。材料的制备可有多种渠道，不同种类碳纤维的特性不同：（1）由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成的为聚丙烯腈基碳纤维;（2）由纤维素的粘胶纤维经脱水、热解、碳化等过程而制得粘胶基碳纤维;（3）以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青得精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而成沥青基碳纤维。[1]
　　（二）碳纤维材料的优势
　　传统乐器材料大多选用木材，同时对所使用木材的要求非常高，对开裂、节子、虫眼、年轮宽度、年份以及含水率都有较高要求，因此，适合制作乐器的木材仅限于少数几种树种。从生产制作来看，生产乐器共鸣板时，原木出材率一般在10%左右，即使剩余废料可用作其他构件的制作，但依然造成了巨大的浪费。
　　碳钎维作为乐器制作材料时，不仅具有良好的稳定性，在声学振动方面也可以根据不同的需求进行调整，是替代乐器生产材料的优良选择。其优势体现在以下几点。
　　第一，可塑性强。传统材料制作乐器时，其塑形制作等多用切割和热压的方式进行，且具有一定的不可逆性。而碳纖维材料不同，其可以通过工艺与模具的控制将某种设计与结构完美地复制，甚至批量生产，这是其他传统材料所不具有的特性。
　　第二，强度高，不易损坏。碳纤维复合材料内部是由千万根小纤维组成，在外力作用下，小纤维之间互相传递分担力的破坏，以防止材料的整体破坏。因此，使用碳纤维制作的乐器更加耐意外性损伤。
　　第三，耐腐蚀性好。传统材料所制乐器在经过长期使用后，会遭受外界阳光、风沙以及人体皮肤汗液等酸碱性物质的腐蚀，导致乐器油漆面的磨损甚至木制本体的损坏。而碳纤维材料在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐腐蚀性出类拔萃，因此其制作的乐器更加耐用。
　　第四，音色稳定。木制乐器尤其是高档木制乐器的保养要求极其严苛，例如音乐会大钢琴在非演出时间需要放置在恒温恒湿的屋子里，以防止环境温湿度的变化影响音板和弦槌的含水率，导致音色的变化。且经过琴弦长时间的拉力影响以及乐器使用年份的增加，其音色品质会逐渐下降严重。而碳纤维乐器可以避免木制乐器的一些缺点，有效保证乐器音色。 　　（三）碳纤维材料在乐器领域的应用
　　碳纤维材料在西洋乐器中的使用已较为普及，不仅被学习音乐的大众所接受，也逐渐被成名的音乐家所青睐。而在国内，因碳纤维材料发展起步较晚，加之民族乐器音色的多样化，致使我国民族乐器使用碳纤维制作的例子较少，笔者从以下几个例子说明碳纤维才料在乐器领域的应用。
　　1.碳纤维与吉他
　　1985年，英国期刊《加强塑料》报道过一种胶合滑音碳纤维吉他，并且其已在乐器市场中露面。为了增强其抵抗琴弦拉力的作用，编制碳纤维与木制音箱相连而成的吉他主体，这不仅大大减轻了电吉他的重量，而且使其拥有更优良的性能。
　　2.碳纤维与胡琴
　　碳素纤维材料在我国民族乐器中的使用主要是在乐器构件中，最常见的就是胡琴的的琴杆替换为碳素纤维材料，采用厚度为1-3mm的碳纤维复合材料制作的胡琴，手感与质量均为上乘。
　　3.碳纤维与乐器零部件
　　因乐器种类繁多，用碳素纤维制作乐器音板时需探索其不同制作工艺，这是一个漫长而复杂的探索过程。但乐器的组成不只是音源系统，还有其他的构件，且在日常使用过程中，乐器构件的损耗较大，于是人们开始探索使用碳纤维替代乐器中不影响音色的构件。例如，目前弦乐器的弓杆主要以木制为主，在制作过程中需要经切割晾晒等一系列工序，并且要保证一定的曲度，以合适演奏。将其替换为碳纤维弓杆，克服了弓杆重量不一、曲度不一、易损坏的缺点，提供了一种成本低，质量稳定的弦乐器弓杆制作方法。再例如钢琴击弦机结构，影响钢琴音色的主要为音板、弦槌毛毡、琴弦三大构件，但厂商在制作时，击弦机零部件大多使用木制，在实际应用中因钢琴放置环境温湿度的变化，导致击弦机零部件易产生变形、脱胶等问题，最终导致钢琴无法演奏。日本KAWAI公司最早使用工程塑料制作击弦机零部件，但依然存在硬度缺陷问题。我国星海钢琴公司在最新型的钢琴中采用了碳素纤维击弦机，保证了钢琴演奏的稳定性，使其有效适应了南北气候。
　　三、总结
　　碳素纤维作为乐器制作材料已有一些年头，但对其性能的探索依然任重而道远。不同乐器、不同音色需求对碳纤维的制作工艺一次次的提出挑战，所以，总体来讲，碳纤维在乐器材料领域依然是一种新材料。现今人们对乐器制作新材料的探索不仅仅局限于碳纤维，也更加注重音源系统制作材料的研发，主要新兴材料为生物复合材料，以自然纤维为主制作板材或皮革，以求其音色更加贴近传统材料所制乐器。对于樂器材料的探索因时代的发展而推动，因科技的创新而前进，这需要各行业研究者的共同努力、共同探索。
　　参考文献
　　[1]周恒香，顾良娥，尚武林，等.碳纤维在乐器领域中的应用[J].纺织报告，2015（9）.
　　[2]汪怀正.Wessell，Nickel&Gross 碳纤维钢琴击弦机的性能和安装[J].乐器，2014（3）.
　　[3]王毓祥.仿生材料的研究进展[J].当代化工研究， 2018（10）.
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