隨著人們對(duì)汽車產(chǎn)品個(gè)性化需求的不斷增長,汽車及其內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也呈現(xiàn)出多樣化的功能特點(diǎn)?舒適性是汽車座椅設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心目標(biāo)之一?當(dāng)前,汽車座椅的設(shè)計(jì)不僅需要遵循人體工程學(xué)的規(guī)律,確保結(jié)構(gòu)合理,還要考慮到緩解駕駛疲勞和促進(jìn)人體健康,不斷豐富和提升座椅的功能價(jià)值?石墨烯材料的引入,對(duì)提高汽車座椅的加熱性能具有顯著的積極影響?

汽車座椅發(fā)展趨勢分析

汽車座椅作為直接與人體接觸的汽車產(chǎn)品部件,需要具備良好的安全性?舒適性?環(huán)保性?隨著汽車用戶群體的個(gè)性化需求不斷提高,發(fā)揮智能化技術(shù)的作用,滿足用戶對(duì)汽車座椅加熱?按摩?通風(fēng)等方面的要求,已逐漸成為當(dāng)前汽車座椅產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的主要方向和趨勢^[1]?

石墨烯材料概述

石墨烯材料是一種以碳六環(huán)材料組成的蜂窩結(jié)構(gòu),是近年來新興的具有良好功能特點(diǎn)的輕質(zhì)材料?石墨烯原子具有結(jié)構(gòu)分布一致的特點(diǎn),呈現(xiàn)穩(wěn)定?牢固的性質(zhì)?由于石墨烯材料特點(diǎn)屬于單層結(jié)構(gòu),兼具輕薄柔韌特性,在物理和化學(xué)層面均具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢,具備較高的應(yīng)用價(jià)值^[2]?從導(dǎo)電性能分析,石墨烯內(nèi)部的電子在運(yùn)動(dòng)中不會(huì)過多受到外圍環(huán)境因素干擾,導(dǎo)電速度良好,導(dǎo)熱性能與碳材料相近,能夠作為實(shí)驗(yàn)新材料,被應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域?   

(1)超薄性?在化學(xué)氣相沉積法和氧化還原法制作石墨烯材料的過程中,通過對(duì)制成的石墨烯材料性能進(jìn)行優(yōu)化,制作得到的石墨烯片能夠呈現(xiàn)出顯著的輕薄透光效果?

(2)強(qiáng)韌性?石墨烯材料兼具良好的強(qiáng)韌性和彈性,實(shí)驗(yàn)中石墨烯材料的拉伸尺寸能夠達(dá)到自身實(shí)際尺寸的20%左右?

(3)導(dǎo)電性?受到石墨烯材料單層原子結(jié)構(gòu)的影響,電子的運(yùn)動(dòng)被限制在這一層平面,從而賦予了石墨烯獨(dú)特的電學(xué)特性?研究發(fā)現(xiàn),將石墨烯材料與電子元件和設(shè)備結(jié)合使用,可以顯著提高電子產(chǎn)品的儲(chǔ)電能力?

基于石墨烯材料的卓越性能,本文對(duì)汽車座椅的研究主要在石墨烯材料在座椅加熱性能方面的應(yīng)用?研究將傳統(tǒng)的電阻絲加熱方式與采用石墨烯材料的加熱技術(shù)進(jìn)行比較,以評(píng)估其應(yīng)用效果?

石墨烯材料與電阻絲材料加熱性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用以下步驟?

(1)分別使用石墨烯材料和電阻絲材料制作加熱墊,并將其安裝在兩個(gè)汽車座椅上?

(2)在座椅表面的關(guān)鍵位置布置溫度傳感器,以監(jiān)測溫度變化?

(3)將裝有加熱墊的汽車座椅置于高低溫試驗(yàn)箱中,并設(shè)定試驗(yàn)箱溫度為-10℃?待座椅各部位的溫度穩(wěn)定在-10℃后,開始圍繞加熱性能相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行測試,包括加熱效率?升溫速度和溫度分布均勻性等?

對(duì)應(yīng)用兩種材料的加熱墊功率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),按照每隔1min的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)加熱墊啟動(dòng)后的電流值變化情況進(jìn)行測量,計(jì)算相應(yīng)的功率值,可以得到兩種材料加熱墊的功率變化曲線^[3]?在獲得對(duì)比結(jié)果后發(fā)現(xiàn),石墨烯加熱墊在前7min的平均功率維持在55.8W,7min后下降至40W,在后續(xù)檢測的過程中,其功率一直維持在40W?電阻絲加熱墊在前13min的平均功率維持在73W,14min后才下降至50W?由此可以得知,以石墨烯材料為主的加熱墊,使用功率要明顯小于電阻絲加熱墊?

從采用兩種材料加熱墊的升溫速度分析,在實(shí)際試驗(yàn)中,可編程線性直流電源為兩種加熱墊提供電能供應(yīng),分別給2個(gè)樣件接通13.5V的電壓,對(duì)汽車座椅表面溫度的變化情況進(jìn)行檢測和記錄?試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),石墨烯加熱墊在加熱至6min時(shí),溫度能夠達(dá)到40℃,并維持在此溫度數(shù)值左右?電阻絲加熱墊在加熱至13min時(shí),溫度才達(dá)到40℃?從溫度變化范圍來看,在開始加熱的2min以內(nèi),加裝石墨烯加熱墊的汽車座椅表面溫度能夠從-10℃上升至21℃,而電阻絲加熱墊的汽車座椅表面溫度僅能從-10℃上升至11℃?由試驗(yàn)結(jié)果證實(shí),石墨烯材料擁有比電阻絲更優(yōu)越的升溫性能^[4]?

以熱均勻性作為試驗(yàn)的主要內(nèi)容,主要借助紅外熱成像儀來采集汽車座椅表面的熱成像圖?試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),應(yīng)用石墨烯加熱墊的汽車座椅表面溫度更為均勻,應(yīng)用電阻絲加熱墊的汽車座椅,電阻絲附近位置的溫度會(huì)明顯高于其他區(qū)域?由此可得,石墨烯加熱墊擁有更好的熱均勻性?

在驗(yàn)證石墨烯加熱墊在汽車座椅中應(yīng)用的優(yōu)越性后,結(jié)合汽車座椅的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和用戶的個(gè)性化需求,石墨烯加熱墊與汽車座椅本身功能結(jié)合能更好地發(fā)揮石墨烯加熱墊的作用?

從汽車座椅的加熱功能角度來看,當(dāng)前汽車座椅主要以織物或皮革材料覆蓋加熱墊,雖然這些材料的應(yīng)用能夠節(jié)省汽車座椅的生產(chǎn)成本,但由于材料大多密度較高,難以通風(fēng)透氣?在汽車內(nèi)部較為閉塞狹窄的空間限制下,加熱墊的加熱功能很容易對(duì)汽車的通風(fēng)功能和汽車座椅的使用效果產(chǎn)生負(fù)面影響?針對(duì)此問題,必須細(xì)致考量座椅的通風(fēng)系統(tǒng),確保石墨烯加熱墊的安裝位置不會(huì)阻礙吸風(fēng)或吹氣功能,從而在不犧牲通風(fēng)效果的前提下發(fā)揮其加熱作用?  

在汽車座椅中應(yīng)用石墨烯加熱墊,主要針對(duì)駕駛員及乘客的背部?臀部等位置加熱,幫助人體緩解疲勞,提升車內(nèi)環(huán)境的舒適性?以往應(yīng)用的電阻絲加熱墊僅具備單一的加熱功能,且容易出現(xiàn)加熱不均的情況?石墨烯加熱墊通過結(jié)合溫度傳感器和加熱控制器,能夠提供高中低三擋控溫調(diào)節(jié)模式,有效避免單一加熱功能和加熱不均的問題?在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中,必須充分考慮加熱墊的功率大小?規(guī)格與汽車座椅的適配性,確保所選加熱墊類型與座椅的尺寸和形狀相匹配,避免因型號(hào)規(guī)格不匹配而增加短路故障引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)?因此,設(shè)計(jì)生產(chǎn)加熱墊時(shí),應(yīng)以市場上流通的汽車座椅規(guī)格為參考,確保加熱墊與座椅的規(guī)格和類型兼容,保障加熱墊應(yīng)用的質(zhì)量和安全?

石墨烯加熱墊在汽車座椅理療方面的應(yīng)用,主要從汽車座椅的按摩功能入手?在石墨烯加熱墊通電后,石墨烯發(fā)熱產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外波波長集中在6~14μm之間?位于這一區(qū)間的遠(yuǎn)紅外波與人體自身產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外波波長十分接近,因而在實(shí)際加熱中,能夠產(chǎn)生同頻共振的現(xiàn)象?在這一情況下,石墨烯產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外波更易于被人體吸收,從而有效發(fā)揮改善人體血液循環(huán)?增強(qiáng)新陳代謝?提高人體免疫力的作用?基于這一功效,采用石墨烯加熱墊進(jìn)行汽車座椅設(shè)計(jì),能夠順應(yīng)健康座椅概念,對(duì)提升汽車座椅的功能價(jià)值具有重要的作用?

為進(jìn)一步發(fā)揮石墨烯加熱墊在汽車座椅中應(yīng)用的作用和價(jià)值,結(jié)合實(shí)際的汽車座椅產(chǎn)品結(jié)構(gòu),本文對(duì)用于汽車座椅的石墨烯加熱墊進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,確保石墨烯的優(yōu)勢和特性能夠在助力汽車座椅功能完善方面發(fā)揮作用?主要從以下幾方面實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯加熱墊的設(shè)計(jì)和效果驗(yàn)證?

在設(shè)計(jì)以石墨烯材料為主的加熱墊時(shí),要求能夠結(jié)合汽車座椅和傳統(tǒng)電阻絲加熱墊的基本結(jié)構(gòu),確定石墨烯加熱墊主要由透氣無紡布?透氣泡沫?基膜?集流體?發(fā)熱涂層?熱熔膠覆蓋膜構(gòu)成?在明確汽車座椅常規(guī)泡沫形狀和尺寸標(biāo)準(zhǔn)的前提下,以曲線結(jié)構(gòu)為主設(shè)計(jì)石墨烯加熱墊,在加熱墊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角位置應(yīng)用圓角,在過渡部分應(yīng)用扁平線纜,在連接接口部分以圓形鉚接的方式進(jìn)行連接?為實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱墊溫度的手動(dòng)調(diào)節(jié)和控制,需要在加熱墊的頭部位置安裝溫度傳感器來采集溫度?為發(fā)揮石墨烯材料的導(dǎo)熱作用,以透氣海綿作為加熱墊的主要載體,將加熱墊固定在透氣海綿上,再將這一組合裝置固定在汽車座椅的泡沫上?

在明確石墨烯加熱墊基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,還需要考慮石墨烯加熱墊的基本功能?結(jié)合對(duì)石墨烯加熱墊在汽車座椅中應(yīng)用分析,石墨烯加熱墊應(yīng)同時(shí)具備通風(fēng)?按摩和加熱的功能?通風(fēng)和加熱功能在前文有明確的介紹,按摩功能主要強(qiáng)調(diào)在安裝石墨烯加熱墊的同時(shí),將按摩氣墊成組排列在座椅靠背的位置,讓石墨烯加熱墊與設(shè)置按摩氣墊的區(qū)域相對(duì)應(yīng)?為達(dá)到這一目的,應(yīng)讓石墨烯加熱墊以柔性條狀的結(jié)構(gòu)形式以拐角位置的圓弧結(jié)構(gòu)來配合按摩氣囊的移動(dòng)?這樣既不會(huì)因加熱墊形變問題導(dǎo)致按摩氣墊損壞,也能夠有效實(shí)現(xiàn)汽車座椅的按摩功能?  

為驗(yàn)證石墨烯加熱墊在汽車座椅中的應(yīng)用效果,結(jié)合汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)石墨烯加熱墊的使用功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證?依據(jù)當(dāng)前我國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)汽車座椅加熱墊的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法,驗(yàn)證石墨烯加熱墊的質(zhì)量性能和應(yīng)用效果,主要涉及石墨烯加熱墊的加熱功能?膝跪耐久能力?負(fù)荷能力?通風(fēng)能力四方面的基本指標(biāo)^[5]?

(1)加熱功能試驗(yàn)具體分為加熱均勻性和升溫試驗(yàn)兩方面內(nèi)容?參考本文3.2和3.3的試驗(yàn)原理,明確在加熱功能的試驗(yàn)中,對(duì)加熱均勻性的檢驗(yàn),以汽車座椅表面各個(gè)測溫點(diǎn)與設(shè)定溫度值溫差在1.5℃以內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn);升溫試驗(yàn)則要求汽車座椅表面多個(gè)測溫點(diǎn)的升溫速度符合相關(guān)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)要求?

(2)膝跪耐久能力試驗(yàn)包括坐下模擬試驗(yàn)?擺動(dòng)與彈跳試驗(yàn)兩方面內(nèi)容?坐下模擬試驗(yàn)要求加熱墊的機(jī)械裝置以Z軸進(jìn)行α角的向外旋轉(zhuǎn)和返回循環(huán),在負(fù)載壓力為900N的情況下,要求每個(gè)角度進(jìn)行12000次的循環(huán)試驗(yàn);擺動(dòng)與彈跳試驗(yàn)則主要以模擬汽車旋轉(zhuǎn)和滑行狀態(tài)時(shí),人體對(duì)汽車座椅靠背位置沖擊情況的方式,按照一般的人體作用力標(biāo)準(zhǔn),將450N的力施加給汽車座椅靠背,讓加熱墊在力的作用下,以x軸為中心,左右各旋轉(zhuǎn)5°,在重復(fù)四次后,沿Z軸方向向下滑行的距離以150mm為標(biāo)準(zhǔn),要求重復(fù)進(jìn)行50000次試驗(yàn)?

(3)負(fù)荷能力試驗(yàn)以膝跪試驗(yàn)為主?在實(shí)際試驗(yàn)中,需要在選擇的測試點(diǎn)依次施加0N?1000N?0N的測試力,將這一個(gè)力的加載過程周期控制在4s左右?然后將石墨烯加熱墊的電源接通3min,再關(guān)閉7min?依據(jù)這一操作,在每個(gè)測試點(diǎn)測試7500次?

(4)通風(fēng)能力驗(yàn)證主要借助通風(fēng)試驗(yàn)來進(jìn)行?在正常的空氣密度下,以70kg假人來模擬汽車座椅的實(shí)際負(fù)重情況?這一過程要求測量的風(fēng)量在130L/min以上?

依據(jù)以上試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法,對(duì)石墨烯加熱墊的性能和應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果表明:這類加熱墊的應(yīng)用符合汽車座椅的相關(guān)功能要求,在提升汽車座椅產(chǎn)品質(zhì)量效果方面能夠發(fā)揮重要的作用?

石墨烯加熱墊的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明其擁有比傳統(tǒng)電阻絲加熱墊更優(yōu)越的性能,能夠滿足汽車座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)需求,具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景?作為一種新型的納米材料,應(yīng)用石墨烯加熱墊還要考慮生產(chǎn)成本的問題?在未來汽車行業(yè)發(fā)展中,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)石墨烯材料及生產(chǎn)工藝技術(shù)的優(yōu)化開發(fā),降低成本,讓石墨烯加熱墊在汽車座椅中發(fā)揮作用,從而有效提升汽車產(chǎn)品整體的質(zhì)量效果?

結(jié)論

將石墨烯加熱墊應(yīng)用到汽車座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)中能夠有效提升汽車座椅的舒適度,提升汽車座椅的整體價(jià)值,促進(jìn)汽車產(chǎn)品整體質(zhì)量效果的提升?基于石墨烯材料進(jìn)行汽車座椅設(shè)計(jì),應(yīng)在明確石墨烯材料本身性質(zhì)的基礎(chǔ)上,將石墨烯加熱墊所具有的加熱功能與汽車座椅本身的功能結(jié)合起來?驗(yàn)證結(jié)果證明,石墨烯加熱墊能夠有效提升汽車座椅的設(shè)計(jì)水平?

來源：CAE車研社