石墨烯新材料在汽車座椅上應(yīng)用的性能特點和工藝要求

石墨烯作為一種新型材料，在眾多新材料中，石墨烯具備導(dǎo)電性強、強度高、導(dǎo)熱率高、透光率高等性能，并具備發(fā)射遠紅外波的特性。遠紅外波和人體本身的靜態(tài)波相同，易于被人體吸收。通過對石墨烯新材料在汽車座椅上的應(yīng)用研究，明確其在汽車座椅上應(yīng)用的性能特點和工藝要求，研究其在汽車座椅上進行批量應(yīng)用的可能性。

1 汽車座椅的發(fā)展趨勢和加熱功能問題

1.1 汽車座椅的發(fā)展趨勢

隨著汽車智能化、網(wǎng)絡(luò)化、電動化、共享化“新四化”的發(fā)展，汽車座椅對安全、舒適、環(huán)保、智能的要求越來越高，對于汽車座椅舒適性，比如腰托、通風、加熱、按摩、腿托、腳托等功能部件的滲透率逐年提高[1]。

1.2 汽車座椅加熱墊存在的問題

在冬季低氣溫的環(huán)境下，對汽車座椅表面的加熱功能要求越來越高。當前的汽車座椅加熱功能多數(shù)采用電阻絲的方式，通過電阻做功發(fā)熱，以熱傳導(dǎo)方式給座椅表面?zhèn)鬟f能量，電阻絲加熱方式存在如下問題：a.熱轉(zhuǎn)換效率低；b.加熱速度慢；c.加熱不均勻等問題。

2 石墨烯的特點和優(yōu)勢

2.1 石墨烯材料的特點

石墨烯材料作為一種新型的材料，為碳六環(huán)構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)，是新世紀以來很好的一種輕質(zhì)材料，在物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)上石墨烯具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、牢固，同時具備輕薄的特性，所以在應(yīng)用和研究上有著重要的價值。

石墨烯的穩(wěn)定性在于其原子結(jié)構(gòu)分布一致[2]。在外力作用下，整個材料保持穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上單層的結(jié)構(gòu)材料更加輕薄，所以也具備柔韌的特性。

在導(dǎo)電性上石墨烯也具備優(yōu)越的性能，內(nèi)部的電子在運動上不會受到外圍干擾，呈現(xiàn)出導(dǎo)電速度快的優(yōu)勢。在導(dǎo)熱方面，基本也和碳材料相同，有著導(dǎo)熱速度快的特點。所以在實驗新材料和市場應(yīng)用方面都有著更廣闊的前景。

2.2 材料的優(yōu)勢

石墨烯材料有以下三種優(yōu)勢：

a.超薄性。21世紀初英國曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家通過一種特殊方法成功制備了石墨烯，他們通過石墨烯發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，由此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎[3]。當前制作做石墨烯主要采用化學(xué)氣相沉積法和氧化還原法：化學(xué)氣相沉積法，能夠得到大片單層石墨烯，在透光率和性能上具有優(yōu)勢，但工藝復(fù)雜、成本高；氧化還原法采用溶液制程方便大量制備，成本上具有很大優(yōu)勢，所以多采用此種方法，然后優(yōu)化性能，制作的石墨烯片可達到輕薄透光。

b.強韌性。雖然很薄，但石墨烯卻是非常強韌的材料，同時它又有很好的彈性，拉伸尺寸能達到自身尺寸的20%。

c.導(dǎo)電性。因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學(xué)屬性。中國科學(xué)院金屬研究所的試驗表明，如果將石墨烯與電子元件、電子設(shè)備結(jié)合使用，可以增強儲電設(shè)備的儲電率，提高儲電性能。

3 石墨烯在各行業(yè)的應(yīng)用和在汽車上的應(yīng)用分析

3.1 石墨烯在各行業(yè)的應(yīng)用

石墨烯材料具有良好的透光性、強度、柔韌度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，為復(fù)合材料、紡織領(lǐng)域、電子信息、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、化工、航空航天等多個領(lǐng)域都帶來了巨大的進步和改變。

石墨烯是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，具有非常好的熱傳導(dǎo)性能，廣泛應(yīng)用于如地板、加熱毯、衣服等用途[4]。和常規(guī)發(fā)熱膜一樣，石墨烯需要通電才能發(fā)熱，石墨烯通電后，石墨烯材料本身在電流的作用下，原子、電子在相互運動中產(chǎn)生碰撞，因此產(chǎn)生熱能。因為導(dǎo)電性能好，所以材料上電運行后，電熱轉(zhuǎn)化率接近90%以上。同時其發(fā)熱性能穩(wěn)定，能發(fā)出和人體契合的紅外波。

3.2 石墨烯加熱墊在汽車上的應(yīng)用分析

在汽車配件領(lǐng)域很早就有汽車座椅外置加熱墊，近些年隨著石墨烯的廣泛應(yīng)用，在市場上也出現(xiàn)了石墨烯外置汽車加熱墊。

很多汽車加熱墊采用織物或皮革覆蓋加熱墊，但為了節(jié)省成本，多數(shù)介質(zhì)是無法通風透氣的，影響汽車原有通風功能和座椅的使用效果。外置加熱墊使用的附加織物皮革，遮擋了汽車座椅原有的支撐曲線，弱化了汽車座椅原有的舒適性。

當前市場上銷售的連接在汽車USB接口和點煙器上的加熱墊，加熱墊本身功率大小規(guī)格不同，強行適配使用其實特別容易短路造成車輛本身的損壞，嚴重的還容易產(chǎn)生火災(zāi)。

現(xiàn)有技術(shù)中，已有座椅生產(chǎn)廠家采用在汽車座椅上設(shè)置電加熱絲實現(xiàn)對座椅加熱的功能，這一技術(shù)方案通過升高座椅溫度來實現(xiàn)對駕駛員背部及臀部等位置的加熱，以緩解疲勞，提升環(huán)境的舒適性。但是單一的加熱功能很難滿足人們脊柱及腰腹位置的保健需要，且傳統(tǒng)的單一電阻絲加熱易出現(xiàn)加熱不均的情況，影響使用者的體驗度[5]。

如果想要在汽車座椅配置加熱墊，就需要解決加熱墊的通風功能，并符合汽車座椅的行業(yè)標準，讓其和加熱墊通風功能配合，才能實現(xiàn)在汽車座椅上的切實應(yīng)用。

4 石墨烯加熱墊的設(shè)計和驗證

4.1 石墨烯加熱墊的設(shè)計

石墨烯加熱墊結(jié)構(gòu)（圖1）包括：透氣無紡布、透氣泡沫、基膜、集流體、發(fā)熱涂層和熱熔膠覆蓋膜。

石墨烯加熱墊的布局（圖2）根據(jù)座椅泡沫形狀和尺寸進行開發(fā)設(shè)計；結(jié)構(gòu)采用曲線結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)角位置使用圓角，過渡部分使用扁平線纜，連接接口部分使用圓形鉚接連接，在加熱墊頭部位置使用NTC傳感器采集溫度，內(nèi)襯泡沫使用透氣泡沫作為加熱墊的載體，通過雙面膠將加熱墊固定在透氣泡沫載體上，然后把透氣泡沫固定在座椅泡沫上。

石墨烯加熱墊主要有三大功能：

a.汽車座椅通風系統(tǒng)有兩種，一種為吸風，一種為吹風，兩種都需要配合座椅泡沫的孔道進行氣流交換。我們在設(shè)計加熱墊時，采用避開吹風孔的設(shè)計，這樣既保證通風效果，也具備加熱功能。

b.汽車按摩功能，按摩氣墊以成組的形式排列在座椅靠背，石墨烯加熱墊分別對應(yīng)布置在按摩氣墊的相應(yīng)區(qū)域，石墨烯加熱墊采用柔性條狀結(jié)構(gòu)，在拐角位置采用圓弧結(jié)構(gòu)，可以貼合按摩氣囊的移動，不會因加熱墊形變而產(chǎn)生損壞。

c.石墨烯加熱功能，根據(jù)汽車座椅加熱功能要求，開發(fā)座椅石墨烯材料漿料、膜片形狀和大小尺寸，然后通過加熱控制器和內(nèi)置的溫度傳感器進行高中低三擋控溫調(diào)節(jié)。

4.2 石墨烯加熱墊的驗證

石墨烯加熱墊制作樣件，需要進行充分的試驗驗證，才能具備裝車使用條件。

按照汽車行業(yè)標準QC/T 950-2013汽車座椅加熱墊技術(shù)要求和試驗方法，對石墨烯加熱墊進行功能和性能的驗證，開展了關(guān)鍵的驗證試驗（表1）。

通過對石墨烯新材料溫度、耐久、負荷、通風等座椅行業(yè)標準的試驗，確認石墨烯加熱墊滿足試驗標準要求，可以應(yīng)用到汽車座椅上。

5 結(jié)語

通過石墨烯在汽車座椅上的應(yīng)用研究，證明了石墨烯的良好性能，可以批量應(yīng)用到汽車座椅上，具有加熱速度快、加熱均勻、熱轉(zhuǎn)化率高、節(jié)能、紅外輻射等良好性能。我國是汽車生產(chǎn)大國，也是全球最大的汽車市場，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種新材料在汽車座椅的上的應(yīng)用前景一定更加廣闊，給人們帶來更好的使用體驗。

審核編輯：郭婷