【座椅】石墨烯加热垫在汽车座椅中的应用

摘要

汽车座椅是汽车产品的重要组成部分,直接影响行车的舒适性｡本文以石墨烯加热垫在汽车座椅中的应用为主要研究对象,从石墨烯材料的工程应用角度,对石墨烯材料加热性能进行分析,研究采用石墨烯加热垫应用于汽车座椅的思路和方法,以提升汽车座椅的舒适性｡

关键词：汽车座椅;石墨烯加热垫;石墨烯材料

作者：王 宜     黄东旭

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州

随着人们对汽车产品个性化需求的不断增长,汽车及其内部构件的设计和生产也呈现出多样化的功能特点｡舒适性是汽车座椅设计优化的核心目标之一｡当前,汽车座椅的设计不仅需要遵循人体工程学的规律,确保结构合理,还要考虑到缓解驾驶疲劳和促进人体健康,不断丰富和提升座椅的功能价值｡石墨烯材料的引入,对提高汽车座椅的加热性能具有显著的积极影响｡

汽车座椅发展趋势分析

汽车座椅作为直接与人体接触的汽车产品部件,需要具备良好的安全性､舒适性､环保性｡随着汽车用户群体的个性化需求不断提高,发挥智能化技术的作用,满足用户对汽车座椅加热､按摩､通风等方面的要求,已逐渐成为当前汽车座椅产品研发设计的主要方向和趋势[1]｡

石墨烯材料概述

特点

石墨烯材料是一种以碳六环材料组成的蜂窝结构,是近年来新兴的具有良好功能特点的轻质材料｡石墨烯原子具有结构分布一致的特点,呈现稳定､牢固的性质｡由于石墨烯材料特点属于单层结构,兼具轻薄柔韧特性,在物理和化学层面均具有良好的应用优势,具备较高的应用价值[2]｡从导电性能分析,石墨烯内部的电子在运动中不会过多受到外围环境因素干扰,导电速度良好,导热性能与碳材料相近,能够作为实验新材料,被应用于多个行业和领域｡

优势

(1)超薄性｡在化学气相沉积法和氧化还原法制作石墨烯材料的过程中,通过对制成的石墨烯材料性能进行优化,制作得到的石墨烯片能够呈现出显著的轻薄透光效果｡

(2)强韧性｡石墨烯材料兼具良好的强韧性和弹性,实验中石墨烯材料的拉伸尺寸能够达到自身实际尺寸的20%左右｡

(3)导电性｡受到石墨烯材料单层原子结构的影响,电子的运动被限制在这一层平面,从而赋予了石墨烯独特的电学特性｡研究发现,将石墨烯材料与电子元件和设备结合使用,可以显著提高电子产品的储电能力｡

石墨烯与电阻丝加热性能对比

基于石墨烯材料的卓越性能,本文对汽车座椅的研究主要在石墨烯材料在座椅加热性能方面的应用｡研究将传统的电阻丝加热方式与采用石墨烯材料的加热技术进行比较,以评估其应用效果｡

功率对比

石墨烯材料与电阻丝材料加热性能的对比实验采用以下步骤｡

(1)分别使用石墨烯材料和电阻丝材料制作加热垫,并将其安装在两个汽车座椅上｡

(2)在座椅表面的关键位置布置温度传感器,以监测温度变化｡

(3)将装有加热垫的汽车座椅置于高低温试验箱中,并设定试验箱温度为-10℃｡待座椅各部位的温度稳定在-10℃后,开始围绕加热性能相关的指标进行测试,包括加热效率､升温速度和温度分布均匀性等｡

对应用两种材料的加热垫功率进行对比试验,按照每隔1min的标准,对加热垫启动后的电流值变化情况进行测量,计算相应的功率值,可以得到两种材料加热垫的功率变化曲线[3]｡在获得对比结果后发现,石墨烯加热垫在前7min的平均功率维持在55.8W,7min后下降至40W,在后续检测的过程中,其功率一直维持在40W｡电阻丝加热垫在前13min的平均功率维持在73W,14min后才下降至50W｡由此可以得知,以石墨烯材料为主的加热垫,使用功率要明显小于电阻丝加热垫｡

升温速度对比

从采用两种材料加热垫的升温速度分析,在实际试验中,可编程线性直流电源为两种加热垫提供电能供应,分别给2个样件接通13.5V的电压,对汽车座椅表面温度的变化情况进行检测和记录｡试验发现,石墨烯加热垫在加热至6min时,温度能够达到40℃,并维持在此温度数值左右｡电阻丝加热垫在加热至13min时,温度才达到40℃｡从温度变化范围来看,在开始加热的2min以内,加装石墨烯加热垫的汽车座椅表面温度能够从-10℃上升至21℃,而电阻丝加热垫的汽车座椅表面温度仅能从-10℃上升至11℃｡由试验结果证实,石墨烯材料拥有比电阻丝更优越的升温性能[4]｡

热均匀性对比

以热均匀性作为试验的主要内容,主要借助红外热成像仪来采集汽车座椅表面的热成像图｡试验发现,应用石墨烯加热垫的汽车座椅表面温度更为均匀,应用电阻丝加热垫的汽车座椅,电阻丝附近位置的温度会明显高于其他区域｡由此可得,石墨烯加热垫拥有更好的热均匀性｡

石墨烯加热垫在汽车座椅中的应用分析

在验证石墨烯加热垫在汽车座椅中应用的优越性后,结合汽车座椅的实际应用环境和用户的个性化需求,石墨烯加热垫与汽车座椅本身功能结合能更好地发挥石墨烯加热垫的作用｡

通风

从汽车座椅的加热功能角度来看,当前汽车座椅主要以织物或皮革材料覆盖加热垫,虽然这些材料的应用能够节省汽车座椅的生产成本,但由于材料大多密度较高,难以通风透气｡在汽车内部较为闭塞狭窄的空间限制下,加热垫的加热功能很容易对汽车的通风功能和汽车座椅的使用效果产生负面影响｡针对此问题,必须细致考量座椅的通风系统,确保石墨烯加热垫的安装位置不会阻碍吸风或吹气功能,从而在不牺牲通风效果的前提下发挥其加热作用｡

加热

在汽车座椅中应用石墨烯加热垫,主要针对驾驶员及乘客的背部､臀部等位置加热,帮助人体缓解疲劳,提升车内环境的舒适性｡以往应用的电阻丝加热垫仅具备单一的加热功能,且容易出现加热不均的情况｡石墨烯加热垫通过结合温度传感器和加热控制器,能够提供高中低三挡控温调节模式,有效避免单一加热功能和加热不均的问题｡在设计和生产过程中,必须充分考虑加热垫的功率大小､规格与汽车座椅的适配性,确保所选加热垫类型与座椅的尺寸和形状相匹配,避免因型号规格不匹配而增加短路故障引发火灾的风险｡因此,设计生产加热垫时,应以市场上流通的汽车座椅规格为参考,确保加热垫与座椅的规格和类型兼容,保障加热垫应用的质量和安全｡

理疗

石墨烯加热垫在汽车座椅理疗方面的应用,主要从汽车座椅的按摩功能入手｡在石墨烯加热垫通电后,石墨烯发热产生的远红外波波长集中在6~14µm之间｡位于这一区间的远红外波与人体自身产生的远红外波波长十分接近,因而在实际加热中,能够产生同频共振的现象｡在这一情况下,石墨烯产生的远红外波更易于被人体吸收,从而有效发挥改善人体血液循环､增强新陈代谢､提高人体免疫力的作用｡基于这一功效,采用石墨烯加热垫进行汽车座椅设计,能够顺应健康座椅概念,对提升汽车座椅的功能价值具有重要的作用｡

设计及验证

为进一步发挥石墨烯加热垫在汽车座椅中应用的作用和价值,结合实际的汽车座椅产品结构,本文对用于汽车座椅的石墨烯加热垫进行设计分析,确保石墨烯的优势和特性能够在助力汽车座椅功能完善方面发挥作用｡主要从以下几方面实现对石墨烯加热垫的设计和效果验证｡

加热垫设计

在设计以石墨烯材料为主的加热垫时,要求能够结合汽车座椅和传统电阻丝加热垫的基本结构,确定石墨烯加热垫主要由透气无纺布､透气泡沫､基膜､集流体､发热涂层､热熔胶覆盖膜构成｡在明确汽车座椅常规泡沫形状和尺寸标准的前提下,以曲线结构为主设计石墨烯加热垫,在加热垫结构的转角位置应用圆角,在过渡部分应用扁平线缆,在连接接口部分以圆形铆接的方式进行连接｡为实现对加热垫温度的手动调节和控制,需要在加热垫的头部位置安装温度传感器来采集温度｡为发挥石墨烯材料的导热作用,以透气海绵作为加热垫的主要载体,将加热垫固定在透气海绵上,再将这一组合装置固定在汽车座椅的泡沫上｡

在明确石墨烯加热垫基本结构的基础上,还需要考虑石墨烯加热垫的基本功能｡结合对石墨烯加热垫在汽车座椅中应用分析,石墨烯加热垫应同时具备通风､按摩和加热的功能｡通风和加热功能在前文有明确的介绍,按摩功能主要强调在安装石墨烯加热垫的同时,将按摩气垫成组排列在座椅靠背的位置,让石墨烯加热垫与设置按摩气垫的区域相对应｡为达到这一目的,应让石墨烯加热垫以柔性条状的结构形式以拐角位置的圆弧结构来配合按摩气囊的移动｡这样既不会因加热垫形变问题导致按摩气垫损坏,也能够有效实现汽车座椅的按摩功能｡

加热垫验证

为验证石墨烯加热垫在汽车座椅中的应用效果,结合汽车产品的生产质量标准要求,对石墨烯加热垫的使用功能和性能进行验证｡依据当前我国汽车行业标准文件对汽车座椅加热垫的技术要求和试验方法,验证石墨烯加热垫的质量性能和应用效果,主要涉及石墨烯加热垫的加热功能､膝跪耐久能力､负荷能力､通风能力四方面的基本指标[5]｡

(1)加热功能试验具体分为加热均匀性和升温试验两方面内容｡参考本文3.2和3.3的试验原理,明确在加热功能的试验中,对加热均匀性的检验,以汽车座椅表面各个测温点与设定温度值温差在1.5℃以内为标准;升温试验则要求汽车座椅表面多个测温点的升温速度符合相关验证标准要求｡

(2)膝跪耐久能力试验包括坐下模拟试验､摆动与弹跳试验两方面内容｡坐下模拟试验要求加热垫的机械装置以Z轴进行α角的向外旋转和返回循环,在负载压力为900N的情况下,要求每个角度进行12000次的循环试验;摆动与弹跳试验则主要以模拟汽车旋转和滑行状态时,人体对汽车座椅靠背位置冲击情况的方式,按照一般的人体作用力标准,将450N的力施加给汽车座椅靠背,让加热垫在力的作用下,以x轴为中心,左右各旋转5°,在重复四次后,沿Z轴方向向下滑行的距离以150mm为标准,要求重复进行50000次试验｡

(3)负荷能力试验以膝跪试验为主｡在实际试验中,需要在选择的测试点依次施加0N､1000N､0N的测试力,将这一个力的加载过程周期控制在4s左右｡然后将石墨烯加热垫的电源接通3min,再关闭7min｡依据这一操作,在每个测试点测试7500次｡

(4)通风能力验证主要借助通风试验来进行｡在正常的空气密度下,以70kg假人来模拟汽车座椅的实际负重情况｡这一过程要求测量的风量在130L/min以上｡

依据以上试验标准和方法,对石墨烯加热垫的性能和应用效果进行检验,结果表明:这类加热垫的应用符合汽车座椅的相关功能要求,在提升汽车座椅产品质量效果方面能够发挥重要的作用｡

石墨烯加热垫的应用实验证明其拥有比传统电阻丝加热垫更优越的性能,能够满足汽车座椅的优化设计需求,具有良好的应用和发展前景｡作为一种新型的纳米材料,应用石墨烯加热垫还要考虑生产成本的问题｡在未来汽车行业发展中,应进一步加强对石墨烯材料及生产工艺技术的优化开发,降低成本,让石墨烯加热垫在汽车座椅中发挥作用,从而有效提升汽车产品整体的质量效果｡

结论

将石墨烯加热垫应用到汽车座椅的优化设计中能够有效提升汽车座椅的舒适度,提升汽车座椅的整体价值,促进汽车产品整体质量效果的提升｡基于石墨烯材料进行汽车座椅设计,应在明确石墨烯材料本身性质的基础上,将石墨烯加热垫所具有的加热功能与汽车座椅本身的功能结合起来｡验证结果证明,石墨烯加热垫能够有效提升汽车座椅的设计水平｡

【参考文献】

[1]胡杭君,王懿,曹品金,等.石墨烯加热垫在汽车座椅上的应用与展望[J].上海汽车,2023(10):56-58.

[2]徐浩.汽车座椅的功能及其发展趋势[J].汽车实用技术,2022,47(17):196-199.

[3]孙庆,邵科君,周波.乘用车座椅加热模块电检问题的研究[J].汽车电器,2022(7):110-111.

[4]胡瑄.汽车座椅的智能化分析[J].今日制造与升级,2022(5):76-78.

[5]王健伟,刘息宇,王保东,等.石墨烯新材料在汽车座椅上的应用研究[J].专用汽车,2022(4):49-51.