長纖維復合材料在汽車座椅上的應用

苗 京

（一汽-大眾汽車有限公司， 吉林 長春 130000）

引言

近些年來，人們對汽車座椅的各類要求隨著汽車產業的快速發展不斷地提高，汽車座椅的輕量化、多功能、環保舒適及安全性等方面是人們對汽車座椅的基本需求，因此，這些方面逐漸成為汽車座椅發展的主要方向。長纖維復合材料是由樹脂與長纖維組成的復合材料，具有多種特性，如高強度、低密度、生產時間較短及容易成型等，適合于汽車座椅現階段的發展趨勢，因此在汽車工業中其漸漸成為汽車座椅的首選材料。

1 汽車座椅綜述

汽車座椅主要由座椅面套、座椅枕頭、座椅泡沫以及座椅骨架四部分構成，除此之外，由于市場的需求不同，部分座椅還具有扶手、腰托或按摩等相關舒適性部件，部分座椅帶有杯托、抽屜等其他儲存功能的部件。

目前汽車座椅設計的輕巧性、舒適性、安全性等都具有不容忽視的意義。然而，常規的座椅大多數的主要材料均為金屬材料，金屬密度大質量重，單單依靠優化結構及設計改善汽車座椅輕量化的發展空間得到了限制。而長纖維增強復合材料則具有優異的力學性，能夠取得顯著的輕量化效果，因此，在汽車領域中逐漸被人們應用，不但在多數簡單非重要部件中被應用，在一些復雜形狀的功能部件中也被使用，比如座椅骨架以及前段模塊。

2 汽車輕量化的重要性

汽車的輕量化是指在汽車的安全性能以及強度均能夠得到保障的基礎上，最大限度地將汽車整體的重量降低，進而增強汽車的動力性，并降低排放及燃料的消耗量。根據相關試驗可知，汽車的燃油量與汽車被本身的重量有最直接的關系，汽車每減輕100 kg的質量，其百公里的燃油消耗量便可降低0.2～0.8 L，通常約為原消耗量的4.5%。因此，現階段在汽車發展逐漸偏向環保、節能的背景下，現代汽車在其設計及制造過程中，汽車的輕量化具有極為重要的意義[1]。

汽車座椅是汽車眾多內飾部件中極為重要的一件。根據調查顯示，汽車座椅的重量在整個車身中占據1.5%～2%的比重。雖然汽車座椅在車身總重量中占據的比例不大，然而，其作為汽車內部重量較大且也是極為重要的部件之一，在整輛車的輕量化過程中所貢獻的力量不容小覷。汽車座椅是整個汽車設計過程中比較繁瑣的部件之一。汽車座椅的設計過程必須從多方面考慮，如安全性、造型的美觀性、功能多樣性及舒適性等，必須建立在符合汽車傳統座椅要求的前提下，才能夠實行汽車座椅的輕量化設計，降低汽車座椅重量的同時，汽車座椅的各項基本性能必須能夠得到保證，尤其是座椅的安全性。汽車座椅的輕量化設計在這些要求的影響下變得更加具有挑戰性，也更加值得人們對其進行研究。

3 長纖維復合材料在汽車領域的應用狀況

長纖維復合材料隨著工業經濟的快速發展也得到了飛快的發展，現階段，長纖維復合材料已經變成增強塑料行業中增長速度最快的產業之一。在歐美等發達國家，長纖維復合材料得到了很大的發展，比如日本帝人公司、美國LNP公司、Ticona公司、圣戈班公司等在國際中知名度較大的材料企業均研究出了長纖維復合材料。

根據相關資料統計，長纖維復合材料在歐美國家汽車領域的應用比例較大，占總用量的33%左右，并且還會隨著汽車工業的發展而持續增長。現階段，長纖維復合材料在汽車的內飾、功能件以及結構件上的應用較為廣發，用長纖維符合材料取代傳統的金屬材料，可以在減輕汽車重量的同時，使生產工藝簡化、生產模塊化。美國通用汽車公司是國際上最大的汽車制造商之一，其已在運動型汽車與輕便貨車的貨箱板上應用了玻璃纖維復合材料。在復合材料的應用領域，福特公司是眾多領導者之一，其生產的汽車，采用了纖維增強的片狀塑料作為車身隔熱板的材料。2011年，德國BMW汽車公司旗下生產的某種型號汽車的駕駛員座椅采用了PP-LGF50材料，這種材料使汽車座椅的質量減輕了63%，同時也提高了汽車座椅的使用壽命[2]。

4 長纖維復合材料在汽車座椅中的應用

4.1 提高座椅的使用期限與安全性

長纖維復合材料的抗疲勞性較高，它具有較多的基體，它的疲勞斷裂不會在突然之間爆發出來，而是由基體到集體界面以及纖維上緩慢的擴展開來。因此，人們能夠提前發現長纖維復合材料的損壞，并及時針對其采取相應的補救措施，有效地提高了座椅的使用壽命。除了抗疲勞性之外，長纖維復合材料還具有穩定的安全性，假如發生超載現象的部件選用這種材料制成，汽車座椅的作用不會立即消失，而是先斷裂少量的纖維，負載會在這時重新進行快速分配并傳遞至未受到損壞的纖維上，這樣在短時間內整個構件便不會被重物擊垮。

4.2 降低座椅的振動幅度

長纖維復合材料與基體界面之間存在較大的阻尼，有良好的減振性能，將大小及形狀相同的長纖維復合材料與金屬材料在相同的條件下實施振動試驗，前者比后者的衰短時間較短。因此，采用長纖維復合材料的汽車座椅有效地降低了座椅振動頻率與時長。

4.3 減少座椅成本

在對長纖維復合材料進行加工時不需要化學反應，直接將增強纖維根據預定的方向擠出，同時排布在基體上，進而形成鋪層結構，并在高速液壓機上將其壓制，這樣就可以加工長纖維復合材料。這種方法在省去買半成品費用、降低制造成本的同時，又保障了纖維長度，更加優化了構件的力學性能[3]。除此之外，將基體與纖維結合在一起，再用模具成型加溫固化，便能夠將長纖維復合材料部件制作出來，基體在此制作過程中由流體轉變為固體，因此由長纖維復合材料制成的汽車座椅不容易生成裂縫。

4.4 降低座椅高溫時的損害度

長纖維符合材料在一般狀況下都可以達到耐高溫的效果，普通的鋁合金處于400℃時，它的彈性模量會有大幅度的降低，然而在同樣的條件下，使用長纖維材料增強后的鋁合金，其彈性模量以及強度能夠保持不變。因為長纖維復合材料具有較小的熱導率，因此其耐高溫性能較好。將長纖維復合材料應用到汽車座椅中，能夠有效降低高溫狀況下汽車座椅的損害度。

4.5 保持座椅各種性能的穩定

長纖維復合材料的眾多特點中較為顯著的為高比剛度及高比強度，其性能具有較寬的變化范圍，根據纖維材料、纖維含量及鋪陳方向的不同，所設計出的產品強度指標、阻燃性能及彈性模量也不同。在某種鋪層方式下的長纖維復合材料，將材料向一方向拉伸時，材料能夠在垂直于拉伸方向上也獲得伸長，這種性能與常用材料完全不同。汽車座椅在其設計過程中應選用易于設計且能夠維持性能穩定的材料，長纖維復合材料便能夠在靈活設計出不同形狀的同時保持其各方面性能的穩定。

5 結語

汽車座椅作為汽車的承載力部件，在交通事故發生時對保障車內人員的安全有著極為重要的作用，因此，朝著輕量化、舒適安全等方面發展是汽車座椅發展的必然趨勢。長纖維復合材料具有各種優良的性能，提高汽車座椅質量的同時又減輕了其質量，提高各種性能的同時又降低了成本，由此可見，隨著汽車工業的飛速發展以及長纖維復合材料發展中技術水平的不斷提升，在汽車座椅中，長纖維復合材料的應用前景定會日益廣闊。