韓璐嬌

摘要：針對傳統(tǒng)天然木材因天然缺陷和加工缺陷造成的聲學(xué)振動性能不高，難以作為樂器板材使用的問題，提出樺木單板/玻璃纖維膠粘復(fù)合材料的制備。研究了工藝參數(shù)對本試驗制作的復(fù)合材料聲學(xué)振動性能的影響。具體結(jié)果為：當(dāng)熱壓溫度和壓力分別為89 ℃和1.3 MPa，施膠量為180 g/m時，樺木單板玻璃纖維復(fù)合材料聲學(xué)振動性能較為優(yōu)異;該條件下的樺木復(fù)合材料比動彈性模量（E/ρ）、動彈性模量（E）與動態(tài)剛性模量（G）的比值 （E/G）分別為26.71 GPa、18.41。

關(guān)鍵詞：樺木單板;玻璃纖維;聲學(xué)振動性能;復(fù)合材料

中圖分類號：TQ342 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0017-05

Preparation of adhesive material for piano birch veneer

HAN Lujiao

（Xianyang Normal University School of Music， Xianyang 712000， Shaanxi China）

Abstract：In view of the low acoustic vibration performance of traditional natural woods caused by natural defects and processing defects， they were difficult to be used as musical instrument board， therefore the preparation of birch veneer/glass fiber adhesive composite was proposed. The effects of process parameters on the acoustic vibration properties of the composites were studied. The specific results were as follows： when the hot pressing temperature and pressure are 89 ℃ and 1.3 MPa respectively and the sizing amount is 180 g/m， the acoustic vibration performance of birch veneer glass fiber composite is excellent. Birch composite material under this condition showed E/ρ?and E/G? as 26.71 GPa? and 18.41 respectively.

Key words： birch veneer; glass fiber; acoustic vibration performance; compound material

樂器是傳遞娛樂文化的重要載體，對豐富人們的精神文化生活有不可或缺的作用。木質(zhì)板材作為目前樂器構(gòu)成材料中的重要組成部分，其聲學(xué)振動性能直接決定了該樂器的發(fā)音效果。但天然木材因天然缺陷和加工缺陷的問題，造成其聲學(xué)振動性能不高，進(jìn)而影響樂器的聲學(xué)品質(zhì)，導(dǎo)致樂器在使用過程中，聲調(diào)和響度都出現(xiàn)不可調(diào)和的問題。因此，提升樂器用木質(zhì)板材的聲學(xué)振動性能是提升樂器品質(zhì)的有效途徑。針對以上問題，國內(nèi)很多學(xué)者也進(jìn)行了多項研究，如以碳纖維為主要修飾材料，對木質(zhì)音樂板材進(jìn)行改性，探究了碳纖維修飾對其聲學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，碳纖維能有效提高音樂板材的聲學(xué)振動性能和耐久性能。但碳纖維音樂板材的制作對人力成本的需求較大，在加工時，需要進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計算，因此，碳纖維音樂板材的成本較高，無

法廣泛應(yīng)用[1];又有學(xué)者嘗試在文獻(xiàn)[1]的研究基礎(chǔ)上，將碳纖維替換為玻璃纖維，并研究了玻璃纖維布的鋪放量對其聲學(xué)性能的影響[2]。以上研究表明，通過纖維增強木質(zhì)板材的方式能夠有效提升音板的聲學(xué)振動性能，其中制備工藝是影響音板聲學(xué)振動性能的重點。但文獻(xiàn)[2]的研究僅存在于玻璃纖維布的鋪放層數(shù)，對其他制備工藝并未深入研究。本文在文獻(xiàn)[2]的研究基礎(chǔ)上，研究了熱壓溫度、熱壓壓力、施膠量對復(fù)合材料聲學(xué)振動性能法的影響規(guī)律，其為木材聲學(xué)性能替代用材的研究提供參考。

1材料與方法

1.1材料與設(shè)備

本試驗主要材料：樺木單板（臨沂市蘭山區(qū)裕奧單板廠，厚度1.45～150 mm）;膠粘劑（上海把兄弟膠粘劑有限公司，E-44）;中堿玻璃纖維布（河間市勝啟玻璃纖維制品廠，纖維直徑5～20 μm）。

本試驗主要設(shè)備：雙通道快速傅里葉變換頻譜分析儀（深圳市瑞安儀器設(shè)備有限公司，CF5220Z）。

1.2試驗方法

1.2.1樺木單板/玻璃纖維復(fù)合材料制備

在樺木單板上按紋理放置玻璃纖維布，將3塊樺木單板疊加作為中心層，分別在中心層上、下表面分別鋪放一層玻璃纖維，然后在玻璃纖維表面繼續(xù)鋪放樺木單板，具體鋪設(shè)方式如圖1所示。

1.2.2單因素試驗設(shè)計

通過單因素試驗研究影響復(fù)合材料聲學(xué)振動的工藝條件，具體設(shè)計方案如表1所示。

1.2.3響應(yīng)面試驗設(shè)計

選擇Design-Expert為分析軟件，Box-Behnken為原理[4]，響應(yīng)指標(biāo)為聲學(xué)振動性能，探究復(fù)合材料最佳工藝參數(shù)。響應(yīng)面試驗設(shè)計因素和水平如表2所示。

1.3性能測試

1.3.1聲學(xué)振動性能檢測

使用橫向振動法對樺木單板/玻璃纖維復(fù)合材料的聲學(xué)振動性能進(jìn)行檢測。具體過程：對待測試件基頻振動節(jié)點位置處進(jìn)行標(biāo)記，在待測試件支撐點放置泡沫三腳架，然后將傳感器置于試件一端上方，放置時要注意傳感器裝置與試件無限接近，但不能貼近。用應(yīng)力錘對試件空白端敲擊，讓其振動，振動信號經(jīng)微音器擴大和過濾，到達(dá)傅里葉變換頻譜分析儀中進(jìn)行分析和處理，得到試件的對數(shù)衰減系數(shù)和五階共振頻率值[5]。在專業(yè)軟件的分析下，計算復(fù)合材料的動彈性模量（E）、動態(tài)剛性模量（G）、比動彈性模量（E/ρ）等聲學(xué)振動性能指標(biāo)，每種指標(biāo)重復(fù)測試3次，取其平均值為最后結(jié)果。復(fù)合材料聲學(xué)振動性能裝置如圖2所示。

2結(jié)果與討論

2.1單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1熱壓溫度對復(fù)合材料聲學(xué)振動性能影響

熱壓溫度對復(fù)合材料聲學(xué)振動性能的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，復(fù)合材料的E/ρ、E/G隨熱壓溫度的增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，復(fù)合材料聲學(xué)振動性能受熱壓溫度影響較大。這是環(huán)氧樹脂膠粘劑熱固特性引起的。當(dāng)熱壓溫度過低，達(dá)不到環(huán)氧樹脂膠粘劑固化溫度，此時環(huán)氧樹脂膠粘劑無法固化完全，影響彈性模量。當(dāng)熱壓溫度過高時，樺木表面被熱分解，出現(xiàn)木材纖維素大分子分解和木材炭化現(xiàn)象，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.1.2熱壓壓力對復(fù)合材料聲學(xué)振動性能的影響聲學(xué)振動性能受熱壓壓力影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，熱壓壓力對聲學(xué)振動的影響與熱壓溫度的影響基本一致。當(dāng)熱壓壓力為1.4 MPa時，E/ρ在壓力1.4 MPa時出現(xiàn)最優(yōu)值;E/G在壓力為1.2 MPa時出現(xiàn)最優(yōu)值。在施加熱壓壓力時，板間和膠間傳遞能力皆受單位壓力的影響，且樺木單板具備較為疏松的結(jié)構(gòu)，在施加熱壓壓力時，膠粘劑在單板內(nèi)部填充，增加了樺木單板與玻璃纖維的粘接強度，進(jìn)一步增強了復(fù)合材料的彈性模量與力學(xué)性能。但本試驗在進(jìn)行的過程中，不對厚度進(jìn)行設(shè)定，因此隨單位壓力的增加，復(fù)合材料厚度明顯降低，密度明顯增加，這對復(fù)合材料聲學(xué)振動性能的提高產(chǎn)生不利影響[7]。當(dāng)熱壓壓力超過單板抗壓強度，木材材質(zhì)出現(xiàn)問題，降低了復(fù)合材料聲學(xué)振動性能。

2.1.3施膠量對復(fù)合材料聲學(xué)振動性能的影響施膠量對復(fù)合材料聲學(xué)振動性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，復(fù)合材料的E/ρ、E/G，隨施膠量增加的變化趨勢與熱壓壓力變化趨勢基本一致。當(dāng)施膠量較少，復(fù)合材料缺膠，出現(xiàn)斷層的情況，使樺木單板與玻璃纖維間粘接不緊密，膠粘劑滲透不完全，降低了復(fù)合材料彈性模量[8]。施膠量較多，增加了膠層厚度，削弱了粘接程度，密度明顯增加，此時不利于復(fù)合材料的聲學(xué)振動發(fā)展。

2.2響應(yīng)面試驗結(jié)果

表3為響應(yīng)面設(shè)計試驗結(jié)果;表4為Design-Expert軟件對表3的分析結(jié)果[9-10]。

2.3復(fù)合材料制備工藝參數(shù)優(yōu)選

在試驗因子的試驗范圍內(nèi)，假定彈性模量、剪切模量和泊松比均處于最大值。通過Design-Expert軟件對試驗因素綜合優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)：熱壓溫度為9.19 ℃，熱壓壓力為1.27 MPa，施膠量為180 g/m?？紤]工藝實際取值，調(diào)整工藝為熱壓溫度89 ℃，熱壓壓力1.27 MPa，施膠量180 g/m;優(yōu)化后驗證試驗結(jié)果如表5所示。

由表5可知，復(fù)合材料預(yù)測值與實測值差別不大，證實回歸方程與實際情況擬合度較高，具有較高的可靠度和準(zhǔn)確度。

3結(jié)語

（1）通過單因素試驗確定工藝因子范圍：熱壓溫度90～100 ℃，熱壓壓力0.8～1.4 MPa，施膠量180～200 g/m;

（2）用響應(yīng)面分析法建立聲學(xué)振動回歸方程，繼續(xù)優(yōu)化制備工藝，優(yōu)化后工藝因子參數(shù)：熱壓溫度89.19 ℃，熱壓壓力1.27 MPa，施膠量180 g/m;

（3）利用Design-Expert軟件對各試驗綜合優(yōu)化后的最佳工藝因子參數(shù)：熱壓溫度89 ℃，熱壓壓力1.3 MPa，施膠量180 g/m;測試值和預(yù)測值基本一致，方程和實際情況擬合度高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張元梓，劉乾，高源，等.木質(zhì)-碳纖維復(fù)合材料的制備工藝[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，47（10）：90-95.

[2]林斌，苗媛媛，李瑞，等.樺木單板/玻璃纖維復(fù)合材料聲學(xué)振動性能的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，41（1）：126-133.

[3]孫海燕，蘇明壘，呂建雄，等.細(xì)胞壁微纖絲角和結(jié)晶區(qū)對木材物理力學(xué)性能影響研究進(jìn)展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，47（5）：50-58.

[4]陶鑫，韓佳彤，徐偉，等.云杉材紋理角度對鋼琴音板聲學(xué)振動性能的影響[J].木材工業(yè)，2019，33（4）：14-17.

[5]賀舒.基于人工林杉木熱處理的古琴面板聲學(xué)性能優(yōu)化分析[J].粘接，2019，40（8）：101-104.

[6]劉美宏，彭立民，呂少一，等.樂器用木材聲學(xué)振動性能改良研究的進(jìn)展[J].木材工業(yè)，2020，34（2）：29-33.

[7]余德倩，趙晨鵬，翟勝丞，等.吸濕循環(huán)處理對常用樂器用材聲學(xué)振動性能的影響[J/OL].林業(yè)工程學(xué)報：1-7[2021-08-05].

[8]江澤慧，鄧麗萍，宋榮臻，等.木竹材聲學(xué)振動特性研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究，2021，34（2）：1-7.

[9]李哲鋒，多化瓊，青龍.電聲樂器中木材聲學(xué)振動性能對音響特性的影響[J].林業(yè)工程學(xué)報，2018，3（3）：18-23.

[10]陳振興，周永東，周凡，等.鋼琴制造對木質(zhì)材料及生產(chǎn)加工的要求[J].木材科學(xué)與技術(shù)，2021，35（3）：6-11.