碳纤维复合材料(CFRP)在家具中的设计和应用云顶国际集团
发布时间:2024-01-03 07:59:23

  从公元前4000多年的古埃及王朝一直到19世纪欧洲第二次工业革命前,家具的历史实际上就是木器的历史。现代家具出现于19世纪末期,依托着两次工业革命带来的飞跃生产力,家具制造工业在一个多世纪的发展时间内极大地提高了生产效率与能力,并不断催生出全新的生产工艺。

  我国家具工业发展将面临木材资源短缺的问题。因此,应用新材料替代传统木材显得尤为重要。目前市场上非木质家具材料大致可分为五类:金属材料、无机非金属材料、天然有机材料、合成有机材料、复合材料。随着开发碳素材料新技术的不断升级,碳纤维复合材料在未来家具中的应用前景十分广阔。

  轻质化家具设计,是以减少家具产品的自身物理重量和视觉重量感为其主要目的,同时,碳纤维复合材料同家具设计的融合也为设计者们点燃了创意的火花。碳纤维复合材料的发展和应用为家具的轻质化设计提供了更多可能,包括对碳纤维复合材料承载结构构型优化、成型工艺的轻质化,还有家具进行造型设计方面对家具轻盈感的营造。

  与传统材料相比,碳纤维复合材料最大的特点就是质量轻它的密度仅为钢材的1/5,钛合金的1/3,甚至比铝合金和玻璃钢还要轻。使用碳纤维复合材料制造的家具,一方面具有超轻的质量,轻便灵巧、易于组合、搬动和运输,另一方面新颖且奇特、易于让消费者产生视觉上的愉悦感。

  在日本设计师铃木清已(Kiyomi Suzuki)设计的靠背椅(Cherche Midi)中,我们可以看到她对碳纤维复合材料“质轻”这一特性的完美演绎。

  这把椅子的重量仅为960g。设计的灵感是源于微风中摇曳着的海芊花的暗影,产品最终既在感观上突显了轻巧的体态,同时又可以使女性使用者保持优雅的姿态。同样来自荷兰的年轻设计师布拉姆·格南(Bram Geenen)设计的高迪椅(Gaudi Chair),也仅有1kg。

  这两种设计的椅子都未因为超轻的质量而失去基本的使用功能,反而是更加极致单纯的将材料本身的魅力散发出来,这也许就是碳纤维复合材料不同于传统材料的魅力。

  碳纤维家具设计要做到轻质化,除了材料本身优异的材性,还得益于灵活多变的结构构型设计。

  首先是传统的加强筋、圆角和利用夹层结构等高效承载处理方式,可以用较少的材料得到所需要的强度及刚度,并通过拓扑优化碳纤维复合材料各个受力方向的力学性能,进一步轻质化家具产品。

  如此形式的家具构件不仅节约用材还减少了家具的占用空间。家具设计师特雷斯·伍德格特(Terence Noodgate)与一级方程式跑车的设计师约翰巴纳德(John Barnard)共同合作制作了具有超薄构件的桌子(Surface Table)。

  正如我们所看到的,采用碳纤维增强树脂制造的桌面板仅有2mm厚,从侧面水平视角我们几乎看不到桌子的框架但它却足以承托长达3m的桌面。类似的,在另一件来自澳大利亚的餐桌(Stealth Table)设计中,桌面边缘的厚度也仅为6mm。

  从这两张桌子中,我们可以感受到超薄构件流畅而精致的线条所带来的独特的品质感与科技感。

  通过优化合理的设计受力结构,利用碳纤维复合材料力学性能的各向异性,在满足造型设计的条件下,让材料力学性能方向沿结构的优势传力路径布置,实现设计的等强度或等刚度,能够让碳纤维复合材料的力学性能优势最大限度地发挥出来,使每一克材料的承载能力更加有效地被利用。如设计师Design-Jay设计的桌子,腿部非常苗条,桌面超薄,但利用如此单薄的碳纤维材料完全不用担心其是否牢固可靠,设计师通过数据的计算和实验测试,按照材料的优势力学性能沿结构的传力路径布置最大限度地减少了所用材料,没有一丝多余,结构非常牢固。从整体来看是简单的一张桌子,侧面观看却只有简单的几根线条,给人带来轻盈曼妙之感。

  碳纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度 都远高于普通家具材料。利用这一特性,家具的部件在一定空间内可以大尺度的延伸而不弯折。

  在2009年的Tokyo Fiber展上,日本现代建筑师青木淳(Jun Aoki )展示了他设计的超大尺度悬臂聚光灯(Thin Beam Lamp),灯体采用日本东丽产碳纤维(Torayca)制作,其中悬臂的灯板全长达6米;

  同样还有类似的,如意大利Olympus FRP公司推出的书架(Aliante),同样是由碳纤维复合材料制成,书架每一层的搁板以垂直中心为轴向两侧展开,长达2.7m。这样的两件家具,均通过恰到好处的材料特性表达—超大尺度悬臂,为用户提供更大范围的使用空间。

  近年来,家具产品能表达出与时代协同发展的现代气息,契合现代人的美学感受成为越来越多年轻人的需求。设计更加精巧独特、工艺更加细致入微、使用的材料愈发潮流时尚、造型形态轻巧灵动等等都是对现代家具设计的诸多要素要求,展现出现代人对家具设计的精神追求和审美特点。使用碳纤维复合材料制造的家具,一方面便于运输与移动,柔韧易编的单元结构、多变灵巧的线条造型、炫彩艳丽的色泽表现等一系列符合现代审美观念的设计特征可通过碳纤维复合材料的合理应用来展现。

  材料是设计的基础,对材料性能的理解和掌握有助于家具结构设计的进行。力学性能和加工性能会因为材料的选择使用产生很大的差异,不同材料的构件连接方式也具有不同的特征。

  碳纤维布是碳纤维复合材料家具制作的原材料之一,它具有布匹的柔软特质和极强的可设计性,在三维空间里可以任意的扭曲,所以设计者可根据自己的想法,用线或面等单纯 的元素赋予碳纤维布轻巧灵动的造型,再使之与树脂胶合固化,达到预想的创意。

  独立设计品牌Adele Cassina推出了一款独具特色的座椅(Dipinta Di B lu),椅子中靠背有着非对称的线条轮廓,椅腿则做无规律螺旋扭曲,造型中曼妙的曲线将哥特式艺术品的设计风格凸显的淋漓尽致。

  而在洛杉矶Synperia工作室推出的首款座椅(Ergon Nomos Chair)中,我们同样可以看到碳纤维复合材料所展现的婀娜多姿的曲线,这款椅子的背部造型贴合自然的人体脊背曲线,呈现出轻薄流畅的体态。在上面的作品中,灵动的造型为产品带来朝气和生命力,材料也因此表达到极致,也许这就是这么多新兴设计师和崇尚时尚的艺术家对碳纤维复合材料着迷的原因之吧。

  碳纤维复合材料的特性是刚而强,可以将家具的面板制作得足够轻薄。如此形式的家具构件不仅减轻了重量,节约了使用材料,还能减少家具的占用空间。如英国设计师Kris lamba通过折叠一张20m长的碳纤维面板设计的 R1Carbon chair (RV1碳纤维椅子),在碳纤维座椅的形式上有较大的改进,使它能够通过翻转来切换两个座位位置。座椅的应力点可以按数字计算,并且椅子的轻弯曲取决于每个座位的位置。家具设计成超薄的面形态能够表现出更强的张力,而这种张力在随着家具本身重心的提高而产生扩张时,其形态就会表现出很大的升腾和轻盈感。

  韩国设计师Studio Il hoon roh通过缠绕碳纤维字符串转换成设计类似于树枝的模式,创建了碳纤维椅子Luno该造型是设计师从鸟类和其他动物的骨架结构中获得灵感,通过在不同的方位上悬挂纤维杆,最终构造出一个仅依靠重力作用形成的自然曲线形。整个家具由线构成面,面形成体,看似整体一块却丝毫不显沉重,带 来前所未有的通透感。为了使曲线形更加具象化,设计师在其表面加入了六边形,金属基座和六边形表面之间隔着交错的碳纤维杆。看似凌乱但每一根碳纤维杆都处在最佳位置,构成这件牢固实用的作品。

  有感于碳纤维布在建筑结构补强中的应用,日本设计师佐藤大(OKi Sato)在白色泡沫板上穿插一段一段的碳纤维布,使其原本无形无强度的框架显现出来,成了可以支撑的坐具(Visible structures)。

  而来自西班牙的设计师哈维尔莫雷诺贝奈托(lavier Moreno Beneyto)则从自然界的蚕茧汲取灵感用碳纤维束缠绕在金属框架上,仿生设计出清新自然的座椅(Silk Chair)。从上述作品中我们可以看出,这一材料特性给予了设计者更多的创意空间和乐趣同时也丰富了碳纤维复合材料家具的造型,材料的柔韧可编制的特性总是以不同的巧妙方式表现出来。

  通过与树脂复合,碳纤维材料摆脱了传统的黑色,可以拥有各种靓丽的色彩。在工业生产中,碳纤维材料本身为黑色,但可以与其他彩色纤维材料混纺,制造出多色的碳纤维布及其复合材料;此外云顶国际集团,黑色的碳纤维布与彩色树脂胶合,也可以制备出各种颜色的碳纤维复合材料。

  将以上两种制备方式应用在碳纤维家具制作上,可获得各种不同颜色的碳纤维家具瑞典家具品牌Lisar 为Gulf Oil Ltd公司设计了一款碳纤维座椅(Gulf Chair),座椅的靠背和座面以清新的天蓝色和靓丽的橙色搭配,鲜亮而富有活力,很容易让人联想到赛车运动。碳纤维复合材料可以通过灵活的工艺获得丰富的色彩表达,这也为材料本身在家具上更广泛的应用提供了可能性。

  碳纤维增强木材在建筑上应用已久,随后设计师们发现在家具的结构中也可以用类似的形式表现。确切的说,木材天然的纹理用以装饰家具的表面,碳纤维优良的力学性能用以结构支撑。

  设计师保罗勒巴赫(Paul Loebach)所制作的沃森桌(Watson Table)就是最好的例证。从这件家具中,我们可以看到,它既表现了木材自然的纹理和触感,又同时拥有轻巧而坚固的结构,而桌子腿部的弯曲造型是木材单板与碳纤维增强树脂胶通过特殊的模具复合制成的。

  如果说人造板材料在家具中的广泛应用是家具工业发展的一个关键点,那么如今碳纤维复合材料在家具上的兴起可以算是又一个飞跃。从碳纤维复合材料家具的经典设计和最新潮流设计可以看出,碳纤维复合材料在家具设计中的表达存在诸多的优势,约翰·罗斯金曾指出,“忠实于材料本身(Truth to Materials )”是设计要遵守的重要信条之一,碳纤维复合材料家具的设计也是如此,只有深刻的了解材料本身的特性及优势,才能设计出更好的家具。

  伴随着消费者思想观念的变化,以往家居装饰一昧追求奢华庄重的风尚正在被后现代家具主义所追求的简洁明快、放纵潮流的新式风格所取代。碳纤维复合材料正是实践和发扬后现代家具设计风格的首选。使用碳纤维复合材料制造的家具,一方面奇特新颖、易于令消费者产生视觉愉悦,另一方面轻便灵巧、便于运输。灵动多变的曲线造型、柔软易编的单元结构、丰富艳丽的色彩表现,这些符合新时代审美观念的家具设计特征都可以通过碳纤维复合材料淋漓尽致地展现。