隨著人們對汽車產(chǎn)品個性化需求的不斷增長,汽車及其內(nèi)部構(gòu)件的設計和生產(chǎn)也呈現(xiàn)出多樣化的功能特點?舒適性是汽車座椅設計優(yōu)化的核心目標之一?當前,汽車座椅的設計不僅需要遵循人體工程學的規(guī)律,確保結(jié)構(gòu)合理,還要考慮到緩解駕駛疲勞和促進人體健康,不斷豐富和提升座椅的功能價值?石墨烯材料的引入,對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,滿足用戶對汽車座椅加熱?按摩?通風等方面的要求,已逐漸成為當前汽車座椅產(chǎn)品研發(fā)設計的主要方向和趨勢^[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的輕質(zhì)材料?石墨烯原子具有結(jié)構(gòu)分布一致的特點,呈現(xiàn)穩(wěn)定?牢固的性質(zhì)?由于石墨烯材料特點屬于單層結(jié)構(gòu),兼具輕薄柔韌特性,在物理和化學層面均具有良好的應用優(yōu)勢,具備較高的應用價值^[2]?從導電性能分析,石墨烯內(nèi)部的電子在運動中不會過多受到外圍環(huán)境因素干擾,導電速度良好,導熱性能與碳材料相近,能夠作為實驗新材料,被應用于多個行業(yè)和領(lǐng)域?   

(1)超薄性?在化學氣相沉積法和氧化還原法制作石墨烯材料的過程中,通過對制成的石墨烯材料性能進行優(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)強韌性?石墨烯材料兼具良好的強韌性和彈性,實驗中石墨烯材料的拉伸尺寸能夠達到自身實際尺寸的20%左右?

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

石墨烯與電阻絲加熱性能對比

  基于石墨烯材料的卓越性能,本文對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)進行比較,以評估其應用效果?

  石墨烯材料與電阻絲材料加熱性能的對比實驗采用以下步驟?

(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箱中,并設定試驗箱溫度為-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)的指標進行測試,包括加熱效率?升溫速度和溫度分布均勻性等?

對應用兩種材料的加熱墊功率進行對比試驗,按照每隔1min的標準,對加熱墊啟動后的電流值變化情況進行測量,計算相應的功率值,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,在實際試驗中,可編程線性直流電源為兩種加熱墊提供電能供應,分別給2個樣件接通13.5V的電壓,對汽車座椅表面溫度的變化情況進行檢測和記錄?試驗發(fā)現(xiàn),石墨烯加熱墊在加熱至6min時,溫度能夠達到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,溫度才達到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℃?由試驗結(jié)果證實,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?試驗發(fā)現(xiàn),應用石墨烯加熱墊的汽車座椅表面溫度更為均勻,應用電阻絲加熱墊的汽車座椅,電阻絲附近位置的溫度會明顯高于其他區(qū)域?由此可得,石墨烯加熱墊擁有更好的熱均勻性?

石墨烯加熱墊在汽車座椅中的應用分析

  在驗證石墨烯加熱墊在汽車座椅中應用的優(yōu)越性后,結(jié)合汽車座椅的實際應用環(huán)境和用戶的個性化需求,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汽車的通風功能和汽車座椅的使用效果產(chǎn)生負面影響?針對此問題,必須細致考量座椅的通風系統(tǒng),確保石墨烯加熱墊的安裝位置不會阻礙吸風或吹氣功能,從而在不犧牲通風效果的前提下發(fā)揮其加熱作用?  

  在汽車座椅中應用石墨烯加熱墊,主要針對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?在設計和生產(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,避免因型號規(guī)格不匹配而增加短路故障引發(fā)火災的風險?因此,設計生產(chǎn)加熱墊時,應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)生的遠紅外波波長集中在6~14µm之間?位于這一區(qū)間的遠紅外波與人體自身產(chǎn)生的遠紅外波波長十分接近,因而在實際加熱中,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行汽車座椅設計,能夠順應健康座椅概念,對提升汽車座椅的功能價值具有重要的作用?

設計及驗證

  為進一步發(fā)揮石墨烯加熱墊在汽車座椅中應用的作用和價值,結(jié)合實際的汽車座椅產(chǎn)品結(jié)構(gòu),本文對用于汽車座椅的石墨烯加熱墊進行設計分析,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現(xiàn)對石墨烯加熱墊的設計和效果驗證?

  在設計以石墨烯材料為主的加熱墊時,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)泡沫形狀和尺寸標準的前提下,以曲線結(jié)構(gòu)為主設計石墨烯加熱墊,在加熱墊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角位置應用圓角,在過渡部分應用扁平線纜,在連接接口部分以圓形鉚接的方式進行連接?為實現(xiàn)對加熱墊溫度的手動調(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)合對石墨烯加熱墊在汽車座椅中應用分析,石墨烯加熱墊應同時具備通風?按摩和加熱的功能?通風和加熱功能在前文有明確的介紹,按摩功能主要強調(diào)在安裝石墨烯加熱墊的同時,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置按摩氣墊的區(qū)域相對應?為達到這一目的,應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?這樣既不會因加熱墊形變問題導致按摩氣墊損壞,也能夠有效實現(xiàn)汽車座椅的按摩功能?  

  為驗證石墨烯加熱墊在汽車座椅中的應用效果,結(jié)合汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量標準要求,對石墨烯加熱墊的使用功能和性能進行驗證?依據(jù)當前我國汽車行業(yè)標準文件對汽車座椅加熱墊的技術(shù)要求和試驗方法,驗證石墨烯加熱墊的質(zhì)量性能和應用效果,主要涉及石墨烯加熱墊的加熱功能?膝跪耐久能力?負荷能力?通風能力四方面的基本指標^[5]?

(1)加熱功能試驗具體分為加熱均勻性和升溫試驗兩方面內(nèi)容?參考本文3.2和3.3的試驗原理,明確在加熱功能的試驗中,對加熱均勻性的檢驗,以汽車座椅表面各個測溫點與設定溫度值溫差在1.5℃以內(nèi)為標準;升溫試驗則要求汽車座椅表面多個測溫點的升溫速度符合相關(guān)驗證標準要求?

(2)膝跪耐久能力試驗包括坐下模擬試驗?擺動與彈跳試驗兩方面內(nèi)容?坐下模擬試驗要求加熱墊的機械裝置以Z軸進行α角的向外旋轉(zhuǎn)和返回循環(huán),在負載壓力為900N的情況下,要求每個角度進行12000次的循環(huán)試驗;擺動與彈跳試驗則主要以模擬汽車旋轉(zhuǎn)和滑行狀態(tài)時,人體對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準,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°,在重復四次后,沿Z軸方向向下滑行的距離以150mm為標準,要求重復進行50000次試驗?

(3)負荷能力試驗以膝跪試驗為主?在實際試驗中,需要在選擇的測試點依次施加0N?1000N?0N的測試力,將這一個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,在每個測試點測試7500次?

(4)通風能力驗證主要借助通風試驗來進行?在正常的空氣密度下,以70kg假人來模擬汽車座椅的實際負重情況?這一過程要求測量的風量在130L/min以上?

依據(jù)以上試驗標準和方法,對石墨烯加熱墊的性能和應用效果進行檢驗,結(jié)果表明:這類加熱墊的應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?

石墨烯加熱墊的應用實驗證明其擁有比傳統(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)化設計需求,具有良好的應用和發(fā)展前景?作為一種新型的納米材料,應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,應進一步加強對石墨烯材料及生產(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

  將石墨烯加熱墊應用到汽車座椅的優(yōu)化設計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值,促進汽車產(chǎn)品整體質(zhì)量效果的提升?基于石墨烯材料進行汽車座椅設計,應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?驗證結(jié)果證明,石墨烯加熱墊能夠有效提升汽車座椅的設計水平?