石墨烯新材料在汽車座椅上的應用研究

王健偉 劉息宇 王保東 李建穎

摘要：石墨烯作為一種新型材料，在眾多新材料中，石墨烯具備導電性強、強度高、導熱率高、透光率高等性能，并具備發射遠紅外波的特性。遠紅外波和人體本身的靜態波相同，易于被人體吸收。通過對石墨烯新材料在汽車座椅上的應用研究，明確其在汽車座椅上應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用的可能性。

關鍵詞：石墨烯;汽車行業;汽車座椅;新材料

中圖分類號：U283.5 收稿日期：2022-02-12

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.014

l 汽車座椅的發展趨勢和加熱功能問題

I.I 汽車座椅的發展趨勢

隨著汽車智能化、網絡化、電動化、共享化“新四化”的發展，汽車座椅對安全、舒適、環保、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采用電阻絲的方式，通過電阻做功發熱，以熱傳導方式給座椅表面傳遞能量，電阻絲加熱方式存在如下問題：a.熱轉換效率低;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，為碳六環構成的蜂窩結構，是新世紀以來很好的一種輕質材料，在物理和化學結構上石墨烯具有結構穩定、牢固，同時具備輕薄的特性，所以在應用和研究上有著重要的價值。

石墨烯的穩定性在于其原子結構分布一致[2]。在外力作用下，整個材料保持穩定，住此基礎上單層的結構材料更加輕薄，所以也具備柔韌的特性。

在導電性上石墨烯也具備優越的性能，內部的電子在運動上不會受到外圍十擾，呈現出導電速度快的優勢。在導熱方面，基本也和碳材料相同，有著導熱速度快的特點。所以在實驗新材料和市場應用方面都有著更廣闊的前景。

2.2 材料的優勢

石墨烯材料有以下三種優勢：

a.超薄性。2l世紀初英國曼徹斯特人學兩位科學家通過一種特殊方法成功制備了石墨烯，他們通過石墨烯發現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，由此獲得了諾貝爾物理學獎[3]。當前制作做石墨烯主要采用化學氣相沉積法和氧化還原法：化學氣相沉積法，能夠得到人片單層石墨烯，在透光率和性能上具有優勢，但工藝復雜、成本高;氧化還原法采用溶液制程方便大量制備，成本上具有很人優勢，所以多采用此種方法，然后優化性能，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，拉伸尺寸能達到白身尺寸的20%。

c.導電性。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屬性。中國科學院金屬研究所的試驗表明，如果將石墨烯與電子元件、電子設備結合使用，可以增強儲電設備的儲電率，提高儲電性能。

3 石墨烯在各行業的應用和在汽車上的應用分析

3.1 石墨烯在各行業的應用

石墨烯材料具有良好的透光性、強度、柔韌度、導電導熱性能，為復合材料、紡織領域、電子信息、節能環保、生物醫藥、化工、航空航天等多個領域都帶來了巨人的進步和改變。

石墨烯是目前為止導熱系數最高的材料，具有非常好的熱傳導性能，廣泛應用于如地板、加熱毯、衣服等用途[4]。和常規發熱膜一樣，石墨烯需要通電才能發熱，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生碰撞，因此產生熱能。因為導電性能好，所以材料上電運行后，電熱轉化率接近90%以上。同時其發熱性能穩定，能發出和人體契合的紅外波。

3.2 石墨烯加熱墊在汽車上的應用分析

在汽車配件領域很早就有汽車座椅外置加熱摯，近些年隨著石墨烯的廣泛應用，在市場上也出現了石墨烯外置汽車加熱摯。

很多汽車加熱墊采用織物或皮革覆蓋加熱墊，但為了節省成本，多數介質是無法通風透氣的，影響汽車原有通風功能和座椅的使用效果。外置加熱摯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摯，加熱摯本身功率大小規格不同，強行適配使用其實特別容易短路造成車輛本身的損壞，嚴重的還容易產生火災。

現有技術中，已有座椅生產廠家采用在汽車座椅上設置電加熱絲實現對座椅加熱的功能，這一技術方案通過升高座椅溫度來實現對駕駛員背部及臀部等位置的加熱，以緩解疲勞，提升環境的舒適性。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，且傳統的單一電阻絲加熱易出現加熱不均的情況，影響使用者的體驗度[5]。

如果想要在汽車座椅配置加熱摯，就需要解決加熱摯的通風功能，并符合汽車座椅的行業標準，讓其和加熱摯通風功能配合，才能實現在汽車座椅上的切實應用。

4 石墨烯加熱墊的設計和驗證

4.1 石墨烯加熱墊的設計

石墨烯加熱摯結構（圖1）包括：透氣無紡布、透氣泡沫、基膜、集流體、發熱涂層和熱熔膠覆蓋膜。

石墨烯加熱摯的布局（圖2）根據座椅泡沫形狀和尺寸進行開發設計：結構采用曲線結構，在轉角位置使用圓角，過渡部分使用扁平線纜，連接接口部分使用圓形鉚接連接，在加熱摯頭部位置使用NTC傳感器采集溫度，內襯泡沫使用透氣泡沫作為加熱摯的載體，通過雙面膠將加熱摯固定住透氣泡沫載體上，然后把透氣泡沫固定住座椅泡沫上。

石墨烯加熱墊主要有三人功能：

a.汽車座椅通風系統有兩種，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。我們住設計加熱墊時，采用避開吹風孔的設計，這樣既保證通風效果，也具備加熱功能。

b.汽車按摩功能，按摩氣摯以成組的形式排列在座椅靠背，石墨烯加熱摯分別對應布置在按摩氣摯的相應區域，石墨烯加熱墊采用柔性條狀結構，在拐角位置采用圓弧結構，可以貼合按摩氣囊的移動，不會因加熱摯形變而產生損壞。

c.石墨烯加熱功能，根據汽車座椅加熱功能要求，開發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置的溫度傳感器進行高中低三擋控溫調節。

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。

按照汽車行業標準QC/T 950-2013汽車座椅加熱摯技術要求和試驗方法，對石墨烯加熱摯進行功能和性能的驗證，開展了關鍵的驗證試驗（表1）。

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

5 結語

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

參考文獻：

[l]鄒亮，葉玲，吳銀.智能服裝在軍事領域的應用[J].中國個體防護裝備，2019（3）：4-6.

[2]李淑萍，孟江.探究石墨烯的制備、特性與應用前景[J].石化技術，2019，26（2）：180-181.

[3]關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見[EB/OL].（2015.12.16）http：//zz.smehn.cn/News/Detail'？id=31271.

[4]劉亞冰.關于材料物理課程教學的思考[J].長春教育學院學報，2012，28（3）：83-84.

[5]鄢勇，李夢瑤，馮曉靜，等.一種碳材料二極管及其制備方法：中國，CN110416289A[P].2019-11-05

作者簡介：

王健偉，男，1987生，工程師，研究方向為電氣自動化。1DD00931-FF1F-4701-A1DD-783DF9A7B2B3