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碳纤维小提琴制作及发展

2018-2-10 10:27 | 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：

　　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7到9倍，抗拉弹性模量为230到430G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。

　　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和琴弓制作，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