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碳纤维小提琴制作及发展


2018-2-10 10:27 | 原作者: zhao668811 | 来自: 中国小提琴论坛(原文)

摘要: 碳纤维小提琴制作及发展 这个帖子原在“提琴制作是艺术还是科学”中,觉得不贴切,特移出来另发,以便讨论和补充。 什么是碳纤维? 回答这个问题之前,我们先了解一下什么是玻璃纤维。人们比较熟悉它,玻璃纤维与 ...
  这个帖子原在“提琴制作是艺术还是科学”中,觉得不贴切,特移出来另发,以便讨论和补充。

  什么是碳纤维?

  回答这个问题之前,我们先了解一下什么是玻璃纤维。人们比较熟悉它,玻璃纤维与环氧树脂是制造玻璃钢的原料。玻璃纤维、石棉都属于无机纤维。碳纤维(carbonfiber),顾名思义,就是由碳元素组成的纤维,含碳量高于90%。在微观上,碳纤维的结构和石墨有点相似,都是由层状的碳片状晶体组成。这些碳片状晶体有一个名字,叫做石墨烯。它只有一层原子厚度,面内的碳原子呈六角形排列,类似于蜂窝的形状。见图:

  forum (27).jpg
  石墨烯(左)与石墨(右)

  如此性能良好的碳纤维是怎样制成的?

  尽管碳纤维主要由碳组成,然而人们至今还不能直接用碳或石墨来制取碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维原料,将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。被选用来制备碳纤维的有机纤维主要包括:聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等,其中应用较普遍的是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。在这过程中,普遍需要经历纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、氧化、碳化四个过程,其间伴随着脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等化学变化。经过这些过程以后,我们就可以得到碳纤维的原丝。

  制备出原丝并不意味着制备碳纤维的过程就结束了。制备出原丝后,还需要经过上浆和固化的过程。所谓的上浆就是将原丝和环氧树脂混合的过程。上浆过程使用的方法可以很多,可以通过自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中,也可以人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。上浆结束后,就需要经过最后的一个程序,那就是固化。固化过程常用到的方法是加热,或者将环氧树脂放在真空中加压。固化主要是让包裹了环氧树脂的碳纤维硬化;此外,在固化过程中,碳纤维可能会发生化学反应,生成原丝材料中不含碳的物质,导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这时候,碳纤维的产品就真正做好了。

  碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外,碳纤维编织布其外形有显著的各向异性柔软,可加工成各种织物,又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度,碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500兆帕以上,是钢的79倍,抗拉弹性模量230430G帕亦高于钢。

  碳纤维物理特性

  碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,是一种的力学性能优异的新材料。碳纤维拉伸强度约为2到7GPa,拉伸模量约为200到700GPa。密度约为1.5到2.0克每立方厘米,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温3000℃石墨化处理,密度可达2.0克每立方厘。再加上它的重量很轻,它的比重比铝还要轻,不到钢的1/4,比强度是铁的20倍。碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同,它有各向异性的特点。碳纤维的比热容一般为7.12。热导率随温度升高而下降平行于纤维方向是负值(0.72到0.90),而垂直于纤维方向是正值(32到22)。碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25℃时,高模量为775,高强度碳纤维为每厘米1500。这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。

  forum (28).jpg
  碳纤维布

  纤维还具有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数),一般仅约为19克,拉力高达300kg每微米。几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在密度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域。在不接触空气和氧化剂时,碳纤维能够耐受3000度以上的高温,具有突出的耐热性能,与其他材料相比,碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降,而且温度越高,纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度,因而碳纤维忌径向强力(即不能打结)而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能,如在液氮温度下也不脆化。

  碳纤维化学性质

  碳纤维的化学性质与碳相似,它除能被强氧化剂氧化外,对一般碱性是惰性的。在空气中温度高于400℃时则出现明显的氧化,生成CO与CO2。碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性,不溶不胀,耐蚀性出类拔萃,完全不存在生锈的问题。有学者在1981年将PAN基碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中,时间已过去30多年,它仍保持纤维形态。当碳纤维复合材料与与铝合金组合应用时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。碳纤维还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。被誉为“黑色黄金”的高性能碳纤维,是一种可耐2000℃以上高温惰性环境而强度不降的高科技材料,广泛用于航空航天、载人潜水器、智能汽车及尖端科研领域。

  国外碳纤维的年产量已经达到4万吨以上,从全球来说美日德等少数发达国家掌握着碳纤维生产的核心技术,并且具有规模化生产车间。我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,80年代开始研究高强型碳纤维。进入21世纪以来发展较快,安徽率先引进了500吨每年原丝、200吨每年丙烯腈基碳纤维,使中国碳纤维工业进入了产业化。随后一些地方相继加入碳纤维生产行列。利用自主技术研制的T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着中国对碳纤维的需求量日益增长,碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持。2005年全球碳纤维市场仅为9亿美元,而2013年达到100亿美元,预计到2022年有望达到400亿美元。碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。碳纤维复合材料不仅广泛应用于火箭、卫星、导弹、战斗机、大型航空器和舰船等尖端武器装备研发,而且在建筑、轻工等民用方面也有需求。例如:碳纤维复合材料已经应用于小提琴琴弓制作,并已批量产销。

  碳纤维复合材料制作小提琴的方法是:

  首先小提琴模具设计为开放式成型模具,包括制作小提琴面板的盖模和用来制造小提琴琴头、琴颈、侧板、背板四个部分的小提琴主体模具。通过模具准备、裁料、铺叠、组合和装袋、整理、热压固化、出烘箱脱模以及修整等工序,把各个部件组合起来,粘结牢固

  forum (29).jpg

  装上琴的面板
  forum (30).jpg

  最后经过打磨、装弦调整,就完成了小提琴的制作。
  forum (31).jpg

  由此看来碳纤维复合材料制作小提琴的工艺与传统小提琴的制作工艺完全不用。小提琴的音质如何,能达到传统小提琴的演奏效果吗?且待下回再说。

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最新评论

引用 zhao668811 2018-2-8 09:09
本帖最后由 zhao668811 于 2018-2-8 09:12 编辑

这个帖子湮灭在“提琴制作是艺术还是科学”中,几乎被我遗忘了,现重发,待后续。
引用 serama 2018-2-8 09:34
期待。
引用 琴定一生 2018-2-8 12:34
学习
引用 xuxianzhou 2018-2-8 15:59
又学习了新的知识,期待声音效果。
引用 杭州老琴 2018-2-8 16:21
连云港鹰游集团(国内碳纤维生产的专业公司)曾做过碳纤维小提琴, 有些知名小提琴家也去看过,后来不知怎么回事,他们的网站上撤除了有关碳纤维小提琴的内容,连优酷上的视频也撤除了。外界猜想可能是专利问题。
引用 Herr周 2018-2-8 19:04
杭州老琴 发表于 2018-2-8 16:21
连云港鹰游集团(国内碳纤维生产的专业公司)曾做过碳纤维小提琴, 有些知名小提琴家也去看过,后来不知怎 ...

我们国内还真有地方企业生产的啊?除了这个还有其他地方企业的吗?有没有名单,发出来让大家看看!
引用 D调的人 2018-2-8 19:07
zhao668811 发表于 2018-2-8 09:09
这个帖子湮灭在“提琴制作是艺术还是科学”中,几乎被我遗忘了,现重发,待后续。 ...

请问一下老前辈,这类型的材质除了有一个稳定的声学性能之外,对比木质还有其他优势吗?
引用 zhao668811 2018-2-9 08:01
谢谢朋友们的参与。我正在编辑下一贴,尽量满足大家要求。
引用 太极神人 2018-2-9 16:16
最好放一段碳纤维小提琴与木质小提琴对照的视频。谢谢!
引用 zhao668811 2018-2-10 08:39
本帖最后由 zhao668811 于 2018-2-13 08:14 编辑

琴友们想听碳纤维小提琴的声音及其与传统小提琴声音的对比。巧啦,正好有一段视频,我给出网址,请自己去打开,就可以听到了,同时还有一段关于其他视频,可一起观看。网址如下:http://v.youku.com/v_show/id_XNjc0OTAzMTE2.html
引用 zhao668811 2018-2-11 08:11
谢谢对本帖加精。
引用 zhao668811 2018-2-11 08:48
本帖最后由 zhao668811 于 2018-2-11 17:07 编辑

自碳纤维小提琴问世以来,引起各方面的关注。目前,琴的外形基本上有两种:仿传统型和非仿传统型。分别见下图:
s-l1600 (16).jpg 图11868.jpg
640.webp (1).jpg 640.webp (2).jpg

仿传统型制作较非仿传统型工序繁杂,国外多采用后者。上图第一把为国产琴,价格在4500-6000元;第三图为德国琴,价格在12000元以上,此琴获得2016年德国碳纤维小提琴特等奖。第四图琴箱没有弧度,制作工序较简单。
     现在大家的认识是,碳纤维小提琴价格偏高,音色不如传统木质小提琴,声音发燥。盛中国希望将来不要把琴作成黑色的。郑教授对碳纤维小提琴寄以厚望,提出许多改进意见。

引用 zhao668811 2018-2-11 09:03
最后的两张图,我想删除。无奈,在编辑框中不出现,为何?
引用 zhao668811 2018-2-12 08:12
快过春节了,在这里,向琴友和全体工作人员拜个早年。恭贺新禧,狗年大吉,阖家幸福,万事如意!
引用 Herr周 2018-2-12 21:11
http://v.youku.com/v_show/id_XOTAxMzg2Mjg4.html

找到一个大概10分钟youku大提琴视频,有兴趣的看看吧···
引用 zhao668811 2018-2-13 08:31
本帖最后由 zhao668811 于 2018-2-13 08:41 编辑
D调的人 发表于 2018-2-8 19:07
请问一下老前辈,这类型的材质除了有一个稳定的声学性能之外,对比木质还有其他优势吗?
...

宁波市九阜碳纤维有限公司制作的碳纤维小提琴价格4800元。
2174129216_1181795917.400x400.jpg
https://v.qq.com/x/page/e0144vruh3j.html
琴友们知道的碳纤维小提琴生产单位,可发上来供大家参考。

引用 zhao668811 2018-2-16 06:56
今天初一,为大家拜年,恭喜发财!
引用 走陌路的旅客 2018-2-16 11:35
谢谢楼主,谢谢老前辈的分享。
引用 zhao668811 2018-2-17 08:20
走陌路的旅客 发表于 2018-2-16 11:35
谢谢楼主,谢谢老前辈的分享。

恭喜发财!

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