碳纤维复合材料在乐器上的应用探索-会员交流-连云港工程师协会_工程师

|设为首页|

|加入收藏|

本站公告:

纺织头条 | 纺织行业“十四五”发展纲要及科技、时尚、绿色发展喜讯：春天成功获取化工石化医药行业（化工工程）专业甲级

会员交流

你现的位置是 : 首页>>会员交流>>会员交流

碳纤维复合材料在乐器上的应用探索

添加时间: 2015-05-26 07:26:27 作者: admin

碳纤维复合材料在乐器上的应用探索

张国良;徐艳；张建国；刘燕；江南

（连云港鹰游纺机有限责任公司，江苏连云港 222000）

摘要：碳纤维复合材料在乐器上的应用是一个大胆的尝试，特别是在吉他上的应用。我公司利用碳纤维复合材料比强度大、比模量高、质地轻、不易变形、抗腐蚀性好、设计性和加工性好等特性，同时模仿木材的声学效果研制碳纤维乐器，开发出具有音色特别、优美、不变形、不受潮、不开裂、环保等特点的碳纤维吉他，将彻底颠覆传统的乐器行业，给乐器制作开拓出一条新道路。目前我公司生产的碳纤维乐器有吉他、小提琴、音箱等等。
关键词：碳纤维成型吉他
本课题通过利用碳纤维自身的特点：强度大、模量高、密度低、抗腐蚀、线膨胀系数小等优势，同时模仿木材的声学原理制成一种碳纤维材料的吉他。该吉他的主体选用国产碳纤维和树脂进行复合成型，采用不同的结构设计和铺层方法，通过模具、裁料、铺层、抽真空、注胶、固化、脱模、修整、抛光、胶合、喷漆等工序制作而成。此碳纤维吉他在刚的基础上不乏柔性，能产生悠扬美妙的声音和特别的音色，同时拓宽了碳纤维复合材料的应用领域，促进了我国碳纤维行业的发展。

1 引言
吉他家族中最“贵族”的古典吉他与小提琴、钢琴并列为世界著名三大乐器。吉他被用于多种音乐风格，如流行音乐、摇滚音乐、蓝调、民歌、弗拉门戈等等。传统制作吉他的材料主要是优质名贵木材，如英格曼“白松”（面板）、巴西和印度的“玫瑰木”（背板）、乌木（指板）、桃花心木和西班牙红松（琴颈）等等。而高档吉他的材料需要在不同气候条件下、不同地区生长的不同木材中进行选择，有的名琴用料在选定之后要置于通风明凉处自然干燥数十年乃至上百年，含水率要求完全低于3％。高档吉他都是经过相当考究的工艺及材料精细加工而成的，因此特别容易受伤，所以要精心保养，不能受潮、变形、开裂，否则将影响吉他的使用寿命，严重的还影响吉他的音质和音效。随着人们生活质量和生活水平的逐步提高，吉他的用量和档次也随之上升，再加上人们的环保意识增强，高档的木材像巴西“玫瑰木”和“桃花心木”已被列为濒危树种，由此可见高档木材已越来越匮乏了。本课题要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种用碳纤维复合材料制作吉他的方法。它具有声音优美、环保、不变形、耐霉变、不开裂的特点。
2 制作吉他的关键技术
2.1用三坐标测量机完成吉他的测量工作，把复杂的测量任务所需时间从小时缩减到分钟。
2.2用计算机辅助设计在碳纤维吉他及模具上的应用，使制作更加精确和可控，同时还大大减少了开发的周期及成本。
2.3选用RTM树脂传递模塑成型（Resin  Transfer Molding）工艺和真空导流注射成型工艺，制作了不同密度要求的吉他面、背板，使碳纤维吉他的结构更加接近传统木质吉他。工艺特点：
2.3.1可以制造两面光的制品；
2.3.2成型效率高，适合于中等规模的产品生产（20000件/年）；
2.3.3RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；
2.3.4增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况铺放增强材料；
2.3.5原材料及能源消耗少。
2.4木质结构的碳纤维铺层设计使碳纤维吉他具有与传统优秀吉他相媲美的“音色美”，并且厚度更薄，重量更轻，更加美观。
2.5支撑梁和补强片材料选择
面板、背板都需要用支撑梁和补强片来增加结构的完整性，木材是一种“张力材料”。随着时间的推移，这种张力会释放，木材会变形，影响到吉他的发音。本课题选用碳纤维复合板做支撑梁和补强片，支撑梁的长度和厚度有不同的规格，且支撑梁的结构形式选择不对称形式，既保证了支撑梁的强度，又保证吉他的发声。
2 实验部分
2.1 实验原料及设备
3K、12K T300碳纤维（中复神鹰碳纤维有限责任公司）
3K*200 g/m2 T300碳纤维斜纹布（连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司）
12K*200 g/m2 T300碳纤维单项布（连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司）
300 g/m2 玻璃纤维连续毡（南京天明复合材料有限公司）
RTM机（北京盈科祥瑞科技有限公司）
吉他模具（上海鼎帜复合材料有限公司）
环氧树脂（惠柏新材料科技有限公司）
喷胶（3M中国有限公司）
固化剂（常州市德响玻璃钢复合材料有限公司）
促进剂（常州市德响玻璃钢复合材料有限公司）
2.2 制作
2.2.1制作吉他的面板和琴头盖板
面板是吉他最重要的部分。木吉他的面板一般选用白松，它的特点是无孔的松软木材，还具有很好的强度重量比，在保证强度的情况下做薄，有利于振动发音。本课题在制作碳纤维吉他面板时，充分考虑了白松的特点，在碳纤维布料中间加铺了一层玻纤布料，在不减其强度的情况下，提高了面板的柔性和抗冲击性（因为吉他在弹奏时，经常会敲击面板提高节奏和效果），来改善吉他的音质和音效；
面板铺层工艺：最外层铺3K*200 g/m2碳纤维斜纹布（45°）；第二、第四层铺12K*200 g/m2碳纤维单项布（0°）；第三层（中间层）铺300 g/m2 玻璃纤维连续毡；第五层铺3K*200 g/m2碳纤维斜纹布（45°）；层与层之间喷雾状胶水进行粘接；该面板设计为中间厚、四周薄的形状，最厚的地方有1.0mm，最薄的地方只有0.6mm，再加上碳纤维复合材料弹性好的特性，就更有利于面板的振动，弹出优美的琴声。
琴头盖板和吉他面板在一个模具上，琴头盖板选用3K*200 g/m2碳纤维斜纹布，铺层工艺与面板相近。
以上每铺一层都要用工具将布料压实，防止注胶时树脂堆积，影响致密度和强度，还会影响美观。
2.2.2制造吉他的琴头、琴颈、侧板和背板
吉他的琴头、琴颈、背板和侧板这四个部分是靠吉他的主体模具来实现。吉他的背板、侧板是构成琴箱的主要部分，背板的振动是琴内空气传导而产生的，当面板振动时，背板也随之振动。木吉他的背板一般选用玫瑰木，它的特点是密度大，硬度好，对声音产生的阻力越小，背板对声音起着反射镜的作用，以增强吉他的反射性能。吉他设计大师为了追求一种明亮的具有金属质感的声音，往往选择巴西玫瑰木可以得到增强。本课题在制作碳纤维背板时，全部采用碳纤维布料，增加背板的强度和硬度；同时还控制背板的树脂含量（＜40%），提高背板的致密度；碳纤维背板设计为中间厚、四周薄的形状，最厚的地方有1.2mm，最薄的地方只有1.0mm，比面板的强度、厚度都偏高；该背板的特点是密度更大（比玫瑰木高35%），强度更高（跟钢媲美），对声音产生的阻力更小，有利于声音的反射，碳纤维吉他能发出一种明亮的具有金属质感的优美声音。
铺层工艺：吉他的琴头、琴颈、侧板和背板这四个部分是用吉他的主体模具（整体模具）来实现。
首先是吉他背板：在整体模具的背板位置，最外层铺3K*200 g/m2碳纤维斜纹布（45°）；第二、第五层铺12K*200 g/m2碳纤维单项布（0°）；第三、第四、第六层铺3K*200 g/m2碳纤维斜纹布（45°）；层与层之间喷雾状胶水进行粘接。
其次是在整体模具的侧板位置，铺五层3K*200 g/m2碳纤维斜纹编织布；在侧板底部中心位置插贴两层0度12K*200 g/m2碳纤维单向编织布；层与层之间喷雾状胶水进行粘接。
最后是琴颈、琴头连成一体，均采用3K*200 g/m2碳纤维斜纹编织布和12K*200 g/m2碳纤维单向编织布；在琴颈、琴头部位铺四层3K*200 g/m2碳纤维斜纹编织布；四层中间插铺两层0度12K*200 g/m2碳纤维单向编织布；层与层之间喷胶水（雾状）粘接。
以上每铺一层都要用工具将布料压实，防止注胶时树脂堆积，影响致密度和强度，还会影响美观。
2.2.3铺层结束后，进行封口、抽真空、注胶、固化、脱模、打磨、胶合、油漆等等工序。
3 结果及讨论
3.1现代科技与传统演奏习惯的完美结合
基于碳纤维复合材料优良的振动发声性能及结构可设计性，创造性的制作了全碳纤维复合材料材质的面板、一体式背板、侧板、琴头及琴颈等部件，通过精细的胶合及涂装等工艺最终生产出与传统吉他相媲美的碳纤维吉他，其体态结构完美，完全适合传统吉他演奏习惯，具有极好的推广性。
3.2几乎全碳纤维材质的吉他制作工艺
区别于碳纤维在其他乐器种类的应用，本项目碳纤维吉他的共鸣箱、琴颈及琴头都是全碳纤维复合材料的，因此增加了吉他的设计及制作难度，赋予了碳纤维吉他制作的高科技属性及技术壁垒，使本项目的开发成果具有较长时间的领先性。
3.3不断丰富及完善的独具个性的碳纤维吉他结构设计
碳纤维吉他的理念源自于传统木质吉他，但又不同于传统吉他，这主要是基于碳纤维复合材料具有优良的振动发声性能及结构可设计性能，将不断开发出与传统演奏习惯相一致的形态结构更加完美的新型吉他，为传统吉他家族增加新的成员，充分体现了传统乐器载体与现代高科技材料和技术的完美结合。
3.4技术支持体系的建立
我们与东北林业大学在材料声学研究中发现的规律性信息和理论性成果，以及连云港市李静吉他学校对吉他声音效果的主观评价，集成了不断创新的碳纤维吉他制作技术规范。经过半年多的摸索，我们积累了丰富的经验，并锻炼了一支熟练的工程师队伍和技工队伍，形成了雄厚的“软件”支撑。
3.5项目取得主要成效
经过半年来的开发，完成了关键技术研发任务与碳纤维吉他产业化任务，形成了具有自主知识产权的碳纤维吉他工程化技术，建成碳纤维吉他产业化生产线，形成了适应碳纤维吉他研发、生产、检测、销售的专业队伍和保证体系。产品经北京乐器检测中心检测为“高级品”，各项技术指标不仅达到了预期目标，能够胜任大型乐队的演奏，为碳纤维吉他的市场化奠定了坚实的基础。项目实施过程中，在碳纤维吉他生产装备自主化、专业人才培养、销售体系建立等方面取得了很大的进展。

参考文献：《古典吉他的制作与鉴赏》方翊编著上海世纪出版集团教育出版社，2010.5

作者简介：徐艳（1962年2月出生），女，高级工程师；享受连云港市政府特贴连云港工程师协会副秘书长