碳纤维复合材料在乐器中的有效应用分析

来源:用户上传      作者:张婷婷

　　摘要：碳纤维材料的产生已经有上百年的历史，其在应用过程中已经经过数代的革新发展，并且其应用范围也从传统的航空航天和汽车制造等行业不断拓展化工、机械和体育等各种行业的发展中，为人类社会物质生活水平的提高起到了极大的促进作用，甚至有人将二十一世纪称为是“碳时代”。随着碳纤维复合材料在乐器制造中的应用开始深入，其对乐器制造水平的提升也起到了很大的帮助，文章从碳纤维复合材料在乐器制造中展现的特性出发，分析其有效应用的成果，从而为其应用水平的提高和应用范围的拓展做出貢献。
　　关键词：碳纤维复合材料;乐器;应用
　　中图分类号：TQ342+.742文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0081-03
　　碳纤维材料在发展应用过程中，其结构组合方式不断得以拓展，应用性能也在各个方面得到同步提升，从而在机械设备、建筑领域和问题医疗行业等普通民用行业中得到了广泛的发展，就其在乐器制造事业中的发展水平而言，目前还处于前期的发展阶段，其应用范围还存在较大的限制，强化在这方面的研究，对碳纤维复合材料的应用范围的推广和技术的提升具有重要的意义。
　　1 碳纤维复合材料的发展历程及其应用特征
　　1.1碳纤维复合材料的发展历程
　　碳材料的应用具有较为悠久的历史，从其作为能源的历程开始，到应用于艺术创作和火药和医药行业之中，经历了漫长的发展过程。直到十九世纪末期阶段，随着人造石墨的发现和石墨电极材料的研制成功，才真正拉开了现代碳材料生产的序幕。目前在碳材料的研究应用上，已经进入了深度和广度两个发展方向。深度的发展是指通过物理和化学的方法来改变碳原子的分布结构，或者通过其比例的不断调整，从而提升碳材料的应用性能，使其能够满足更多行业的应用需求。广度的方向是指通过相关的试验，将不同的碳材料种类应用于各种行业的生产之中，用其替代传统的制造材料，从而使制造出来的产品能够达到更加优越的性能。两个方向发展方向的不同并无优劣之分，其主要的区别在于对碳材料的研究方式不同，但其最终目的都是为了提升人类生产生活的品质。
　　1.2碳纤维复合材料的应用特征
　　碳材料的应用历史之所以具有悠久的历史，并且其应用范围还在逐渐扩展，就是由于其在不同结构和组合方式下，能够达到各种不同材料所拥有的优良性质，从而满足社会生产行业的各种需要。相对于传统的金属、陶瓷和高分子等固体材料，碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高等各方面的优势，并且其生物相容性比较好;在力学性能、化学稳定性和电热传导性上，碳纤维材料也有其他材料所不能具备的特征;就其在普通工业产品中的制造优势而言，其具有密度低、耐摩擦和耐腐蚀等方面的特点，并且在与其他材料进行再次复合设计时，还能够达到较高的结构可设计性。从这些方面而言，碳纤维复合材料能够具有广泛的应用范围，并且在替代传统制造材料过程中，还能够根据需要进行有针对性的设计，从而使产品的性能朝着更高方向发展。
　　2 碳纤维复合材料在乐器中应用的意义
　　音乐是人类社会进化过程中所形成的一种能够表达现实生活情感的艺术，乐器表演在音乐表达方式中是一种重要的展现形式。乐器表演效果与其制作材料之间存在着密切的联系，在二十世纪中期，相关技术人员在乐器材料的研究上取得了较大的突破，并在实际应用中逐渐朝着专业化、高端化的方向发展。传统的乐器制造，其材料主要是以木材为主，在制造过程中不仅对材料本身的缺陷方面具有较高的要求，而且对于高端乐器的制造，还对木材的密度、年轮宽度和年轮数等方面有着明确的要求，这就使得能够应用于乐器制造的木材范围受到极大的限制。而在采用碳纤维复合材料的情况下，能够通过材料本身的数据显示出其在乐器制造过程中的替代性能，相对于木材等其他材料而言，在物理性能和化学性能上，具有更大的优势，因此可以逐步替代木材材料的应用。
　　3 碳纤维复合材料在乐器生产中的性能优势
　　3.1环境适应性好
　　采用木材等传统材料制成的乐器，在温度、空气湿度和光照等外部气候因素的影响下，会产生细微的形变，进而导致音色的变化，在防护措施不到位的情况下甚至还会对乐器造成不可逆转的伤害。此外，乐器本身在演奏过程中，还会受到自身力学结构的影响，木质结构本身的回复能力较弱，长期的演奏过程会使其产生一定程度的形变，如果不能进行科学维护，会使其产生跑音的现象，从而对演奏效果产生较大的影响。而在采用碳纤维复合材料的情况下，可以充分发挥其强度高、耐腐蚀性好的特点。碳纤维复合材料本身具有复杂的内部结构，在受到外力作用时，其能够将破坏作用局限在较小的范围之内，从而防止乐器本身受到整体性的破坏，减少意外性损伤对乐器的破坏作用。同时碳纤维复合材料还具有较强的环境适应性，在有机溶剂和酸、碱等不同的化学环境的破坏下，所产生的影响很小，具有更强的化学稳定性，从而能够极大的延长其使用寿命。
　　3.2可塑性强.生产效率高
　　根据碳纤维复合材料的具体性能不同，其成型技术有多种形式，一般情况下能够应用于乐器制造的方式有拉挤成型和、挤压成型和RTM成型技术。采用这些成型工艺，能够通过工艺控制和模具化生产的方式，完美的复制出其生产结构，并且在需要的情况下还可以达到批量生产的要求。采用这种生产方式，改变了传统乐器生产工艺中的烘干和粘连等流程，减少了木材和皮革等材料的养成过程，减少了其中不必要的周转过程，在保证生产质量的同时，极大的减少了乐器制作的生产环节，提高了生产效率。
　　3.3保持音色的稳定性
　　对于乐器制作而言，其最重要的方面是要能够确保其音色能够达到长期稳定的要求。在采用木质材料的情况下，对于其日常保养工作具有较高的要求。大多数乐器实际演奏的时间比例都会很小，在非演奏时间段内要将其放置在恒温恒湿的环境中，以减少外部环境变化对其带来的慢性影响。对于木质乐器而言，其存在较大方面的缺陷就是随着使用年限的不断增加，由于自身材料方面的影响，其自身的音色品质必将会发生一定程度的变化，从而影响其演奏质量。而在采用碳纤维复合材料的情况下，由于其具有强尺寸稳定性的特点，在室温环境下，其热膨胀系数为负，在200℃至400℃之间，其热膨胀系数趋近于零。这就使得碳纤维复合材料制作的乐器能够长期保持音色的稳定性。 　　3.4具有极大的环保效应
　　乐器制造对木材本身的品质具有严格的质量要求，尤其是在高端乐器和特种乐器的制造中，必须采用特定的树种材料，在生产过程中对大自然会造成相当严重的破坏作用，进而破坏到植被与动物的生存环境。在采用碳纤维复合材料的情形下，能夠将木质材料的应用水平降到最低，从而起到科学环保的作用，减少由此给自然环境造成的破坏和对人类生活带来的危害。
　　4 碳纤维复合材料在乐器领域中的应用实例
　　4.1碳纤维在吉他中的应用
　　在国际乐器行业的发展中，将碳纤维复合材料应用于吉他的制造，已有数十年的历史，其最早的应用是来自于英国市场上出现的“无音品”胶合滑音碳纤维电吉他。随着我国相关行业人士在这方面的研究力度不断加大，也出现了一些具有代表性的产品，其中尤以连云港鹰游纺机有限责任公司相关技术人员的探究最为深入，其通过深入研究并不断提升制造工艺，已经生产出刚柔并济，并且具有特殊音色的电吉他。同时，该公司还能够生产出具有自身特色的小提琴和音箱，极大的促进了碳纤维复合材料的应用领域。就目前的技术发展水平而言，采用碳纤维复合材料制作的吉他具有音调优美，节奏欢快等方面的优点，并且在演奏开始之前，不需要进行调音。
　　4.2碳纤维在小提琴中的应用
　　加拿大某公司在小提琴的制作工艺中，将碳纤维应用于音响箱的部位，不仅提升了乐器的音色性能，还提高了小提琴在不同湿热环境中应用水平。由于采用碳纤维复合材料能够将传统的手工制作的环节转变为机械生产的方式，极大的节约了制造时间，提升了其制作效率，降低了其生产成本。
　　4.3碳纤维在乐器零部件中的应用
　　音乐是人类社会共同拥有的艺术形式，不同民族所具有的音乐特色也各有不同，将碳纤维复合材料应用于乐器行业之中，不可能直接取代乐器的所有制造环节。在目前的研究过程中，其主要研究的方向使集中于损耗较大的构件中。例如在多数的弦乐器演奏过程中，其主要的木质构件就是弓杆，并且其原本的制造工艺比较复杂，在制作过程中质量控制要求难度比较大，对于制作人员的技术依赖性比较强，在采用碳纤维复合材料的情况下，可以对这些问题进行有效的规避，从而提升了弓杆部分的制造质量。钢琴也是世界范围内流传较为广泛的乐器之一，其在演奏过程中对音色影响较大的结构时击弦机部位。在原本的制造工艺中，这一部分的零部件主要是采用木质结构，在实际使用过程中，由于其受到外界环境的影响，大多数情形下都会产生变形和脱胶等不同类型的问题，进而影响到钢琴的演奏效果，在某些情况下，还会使钢琴直接损坏。目前我国和日本的相关钢琴生产厂家在这方面的生产过程中，已经取得了阶段性的成果，在利用碳纤维复合材料的情形下，有效的解决了这方面的问题。当然，目前将碳纤维复合材料应用于不同乐器的零部件生产过程中，还大多数是处于初步研发阶段，对于各种碳纤维材料应用的特性，还需要进一步深入研究，并对其缺陷部分进行有效的规避，以此才能够真正提升其在乐器零部件生产中的应用程度。
　　5 结语
　　碳纤维复合材料的应用范围不断扩展，其所具有的特性也随着研究深度的逐渐加深而不断变化，将其科学的应用于乐器的制造行业中，对于乐器行业乃至音乐艺术的发展，都具有重要的意义。在未来的发展过程中，必将会有越来越多的新型碳纤维材料被研发出来，在和其他复合材料结合应用之下，将会取得卓有成效的成果。
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