碳纖維材料樂器制作初探

李壯

【摘要】伴隨著科技的發(fā)展與環(huán)境保護意識的增強，制作樂器的材料由傳統(tǒng)木材或動物皮革，逐漸替換為使用人造新材料。制作樂器的新材料由工程塑料發(fā)展至碳纖維，再至生物復(fù)合材料與仿生材料。本文以新材料研究為主題，對用于樂器制作的碳纖維材料展開研究，探討其中的的優(yōu)勢與不足，為樂器材料研究的發(fā)展提供可參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】樂器制作;碳纖維;聲學(xué)性能;改革發(fā)展

【中圖分類號】J639? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標(biāo)識碼】A

一、樂器新材料的發(fā)展使用

新材料樂器的研究發(fā)展自二十世紀(jì)中期取得一定成果。因新材料更優(yōu)于木材的穩(wěn)定性，于是大多應(yīng)用于樂器構(gòu)架方面，減少樂器因拉力或溫濕度變化造成的形變。如1994年在倫敦音樂展覽會上展出的用單項和編織碳纖維增強材料制作的吉他琴頸，增強了其因抵抗琴弦張力而引起的彎曲，同時減輕了吉他的重量。

現(xiàn)今，人們對樂器新材料的研究主要偏向于音源系統(tǒng)的制作，早至1975年，音板由復(fù)合材料所制的吉他與小提琴就以問世。在樂器市場中，我們不難發(fā)現(xiàn)許多由新材料所制音源系統(tǒng)的西洋管弦樂器，隨著時間的推移，它們的制作發(fā)展愈加專業(yè)。著名世界級大提琴演奏家馬友友先生曾為前美國總統(tǒng)奧巴馬演奏大提琴，他選擇的是一把全琴由碳纖維制成的大提琴，并予以好評。于此，我們可知，新材料樂器的使用不再只針對低端價位普及琴的生產(chǎn)，其逐漸得到專業(yè)音樂家的認(rèn)可，并走向?qū)I(yè)化、高端化的生產(chǎn)。

新材料樂器能夠得到消費者、音樂愛好者甚至音樂家的認(rèn)可，主要因其以下幾點優(yōu)于傳統(tǒng)材料的性能。

其一，受環(huán)境影響較低。傳統(tǒng)樂器材料受溫濕度、光照等環(huán)境因素影響較大，在不同的環(huán)境下使用會產(chǎn)生一定量的形變或音色變化，嚴(yán)重時會對樂器造成不可估量的傷害。而新材料樂器恰恰可以彌補這一缺陷，它能有效應(yīng)對各種天氣變化，適應(yīng)各種環(huán)境下的演奏。

其二，不易形變。樂器的形變除環(huán)境影響之外，還有樂器自身力學(xué)構(gòu)造的影響，如吉他、鋼琴、提琴以及中國傳統(tǒng)樂器胡琴。傳統(tǒng)木質(zhì)結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)琴弦長期緊掛帶來的拉力，例如鋼琴在音準(zhǔn)穩(wěn)定的情況下，各琴弦拉力相加約20噸，如長期不進行調(diào)律維護，則會產(chǎn)生跑音與形變的情況。新材料不同于傳統(tǒng)木材，碳纖維材料的強度遠遠高于木材，可有效抵抗因琴弦拉力帶來的形變。

其三，更高的生產(chǎn)效率。不同于木材的加工，新材料在制作樂器時無需經(jīng)過烘干加工過程，甚至無需粘連，可整體塑形。并且，傳統(tǒng)木材與皮革的養(yǎng)成需要較為漫長的時間周期，而人造新材料可隨時生產(chǎn)供應(yīng)，一旦生產(chǎn)線形成，便可大批量供給，大大減少了樂器制作的周轉(zhuǎn)過程。

其四，有利于環(huán)境與動植物的保護。隨著城市的發(fā)展與人類棲息地的擴張，植被與動物的生存受到了嚴(yán)重的破壞，生產(chǎn)高端或特定樂器所需要從大自然攝取的材料變得越來越少，新材料的替代，可使這一情況得到好轉(zhuǎn)，更符合科學(xué)發(fā)展的觀念。

二、碳纖維材料的性能與應(yīng)用

碳素纖維在日常生活中的應(yīng)用已極為廣泛，其是指材料中碳的質(zhì)量達百分之90以上，既有碳素材料的結(jié)構(gòu)特性又有纖維形態(tài)特征的一種高性能纖維材料。碳纖維材料在樂器制作中的應(yīng)用經(jīng)歷了20余年的考驗，事實證明，在中端樂器市場中來看，碳素纖維樂器的制造與質(zhì)量相對于傳統(tǒng)材料所制樂器，在性能方面表現(xiàn)得更加優(yōu)秀。

（一）碳纖維材料的制備

碳纖維的發(fā)現(xiàn)與研究早在愛迪生1879年申請制造電燈碳絲的時候就已開展，但是到了20世紀(jì)60年代前后，因航空材料的需求，更優(yōu)質(zhì)的碳纖維材料逐步進入商業(yè)化生產(chǎn)過程。碳纖維材料具有極多的優(yōu)點：密度低，質(zhì)量輕，耐高溫，耐腐蝕等。材料的制備可有多種渠道，不同種類碳纖維的特性不同：（1）由聚丙烯腈經(jīng)紡絲、預(yù)氧、碳化幾個階段形成的為聚丙烯腈基碳纖維;（2）由纖維素的粘膠纖維經(jīng)脫水、熱解、碳化等過程而制得粘膠基碳纖維;（3）以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青得精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而成瀝青基碳纖維。[1]

（二）碳纖維材料的優(yōu)勢

傳統(tǒng)樂器材料大多選用木材，同時對所使用木材的要求非常高，對開裂、節(jié)子、蟲眼、年輪寬度、年份以及含水率都有較高要求，因此，適合制作樂器的木材僅限于少數(shù)幾種樹種。從生產(chǎn)制作來看，生產(chǎn)樂器共鳴板時，原木出材率一般在10%左右，即使剩余廢料可用作其他構(gòu)件的制作，但依然造成了巨大的浪費。

碳釬維作為樂器制作材料時，不僅具有良好的穩(wěn)定性，在聲學(xué)振動方面也可以根據(jù)不同的需求進行調(diào)整，是替代樂器生產(chǎn)材料的優(yōu)良選擇。其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點。

第一，可塑性強。傳統(tǒng)材料制作樂器時，其塑形制作等多用切割和熱壓的方式進行，且具有一定的不可逆性。而碳纖維材料不同，其可以通過工藝與模具的控制將某種設(shè)計與結(jié)構(gòu)完美地復(fù)制，甚至批量生產(chǎn)，這是其他傳統(tǒng)材料所不具有的特性。

第二，強度高，不易損壞。碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部是由千萬根小纖維組成，在外力作用下，小纖維之間互相傳遞分擔(dān)力的破壞，以防止材料的整體破壞。因此，使用碳纖維制作的樂器更加耐意外性損傷。

第三，耐腐蝕性好。傳統(tǒng)材料所制樂器在經(jīng)過長期使用后，會遭受外界陽光、風(fēng)沙以及人體皮膚汗液等酸堿性物質(zhì)的腐蝕，導(dǎo)致樂器油漆面的磨損甚至木制本體的損壞。而碳纖維材料在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐腐蝕性出類拔萃，因此其制作的樂器更加耐用。

第四，音色穩(wěn)定。木制樂器尤其是高檔木制樂器的保養(yǎng)要求極其嚴(yán)苛，例如音樂會大鋼琴在非演出時間需要放置在恒溫恒濕的屋子里，以防止環(huán)境溫濕度的變化影響音板和弦槌的含水率，導(dǎo)致音色的變化。且經(jīng)過琴弦長時間的拉力影響以及樂器使用年份的增加，其音色品質(zhì)會逐漸下降嚴(yán)重。而碳纖維樂器可以避免木制樂器的一些缺點，有效保證樂器音色。

（三）碳纖維材料在樂器領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維材料在西洋樂器中的使用已較為普及，不僅被學(xué)習(xí)音樂的大眾所接受，也逐漸被成名的音樂家所青睞。而在國內(nèi)，因碳纖維材料發(fā)展起步較晚，加之民族樂器音色的多樣化，致使我國民族樂器使用碳纖維制作的例子較少，筆者從以下幾個例子說明碳纖維才料在樂器領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.碳纖維與吉他

1985年，英國期刊《加強塑料》報道過一種膠合滑音碳纖維吉他，并且其已在樂器市場中露面。為了增強其抵抗琴弦拉力的作用，編制碳纖維與木制音箱相連而成的吉他主體，這不僅大大減輕了電吉他的重量，而且使其擁有更優(yōu)良的性能。

2.碳纖維與胡琴

碳素纖維材料在我國民族樂器中的使用主要是在樂器構(gòu)件中，最常見的就是胡琴的的琴桿替換為碳素纖維材料，采用厚度為1-3mm的碳纖維復(fù)合材料制作的胡琴，手感與質(zhì)量均為上乘。

3.碳纖維與樂器零部件

因樂器種類繁多，用碳素纖維制作樂器音板時需探索其不同制作工藝，這是一個漫長而復(fù)雜的探索過程。但樂器的組成不只是音源系統(tǒng)，還有其他的構(gòu)件，且在日常使用過程中，樂器構(gòu)件的損耗較大，于是人們開始探索使用碳纖維替代樂器中不影響音色的構(gòu)件。例如，目前弦樂器的弓桿主要以木制為主，在制作過程中需要經(jīng)切割晾曬等一系列工序，并且要保證一定的曲度，以合適演奏。將其替換為碳纖維弓桿，克服了弓桿重量不一、曲度不一、易損壞的缺點，提供了一種成本低，質(zhì)量穩(wěn)定的弦樂器弓桿制作方法。再例如鋼琴擊弦機結(jié)構(gòu)，影響鋼琴音色的主要為音板、弦槌毛氈、琴弦三大構(gòu)件，但廠商在制作時，擊弦機零部件大多使用木制，在實際應(yīng)用中因鋼琴放置環(huán)境溫濕度的變化，導(dǎo)致?lián)粝覚C零部件易產(chǎn)生變形、脫膠等問題，最終導(dǎo)致鋼琴無法演奏。日本KAWAI公司最早使用工程塑料制作擊弦機零部件，但依然存在硬度缺陷問題。我國星海鋼琴公司在最新型的鋼琴中采用了碳素纖維擊弦機，保證了鋼琴演奏的穩(wěn)定性，使其有效適應(yīng)了南北氣候。

三、總結(jié)

碳素纖維作為樂器制作材料已有一些年頭，但對其性能的探索依然任重而道遠。不同樂器、不同音色需求對碳纖維的制作工藝一次次的提出挑戰(zhàn)，所以，總體來講，碳纖維在樂器材料領(lǐng)域依然是一種新材料。現(xiàn)今人們對樂器制作新材料的探索不僅僅局限于碳纖維，也更加注重音源系統(tǒng)制作材料的研發(fā)，主要新興材料為生物復(fù)合材料，以自然纖維為主制作板材或皮革，以求其音色更加貼近傳統(tǒng)材料所制樂器。對于樂器材料的探索因時代的發(fā)展而推動，因科技的創(chuàng)新而前進，這需要各行業(yè)研究者的共同努力、共同探索。

參考文獻

[1]周恒香，顧良娥，尚武林，等.碳纖維在樂器領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].紡織報告，2015（9）.

[2]汪懷正.Wessell，Nickel&Gross 碳纖維鋼琴擊弦機的性能和安裝[J].樂器，2014（3）.

[3]王毓祥.仿生材料的研究進展[J].當(dāng)代化工研究， 2018（10）.