石墨烯新材料在汽车座椅上应用的性能特点和工艺要求

石墨烯作为一种新型材料，在众多新材料中，石墨烯具备导电性强、强度高、导热率高、透光率高等性能，并具备发射远红外波的特性。远红外波和人体本身的静态波相同，易于被人体吸收。通过对石墨烯新材料在汽车座椅上的应用研究，明确其在汽车座椅上应用的性能特点和工艺要求，研究其在汽车座椅上进行批量应用的可能性。

1 汽车座椅的发展趋势和加热功能问题

1.1 汽车座椅的发展趋势

随着汽车智能化、网络化、电动化、共享化“新四化”的发展，汽车座椅对安全、舒适、环保、智能的要求越来越高，对于汽车座椅舒适性，比如腰托、通风、加热、按摩、腿托、脚托等功能部件的渗透率逐年提高[1]。

1.2 汽车座椅加热垫存在的问题

在冬季低气温的环境下，对汽车座椅表面的加热功能要求越来越高。当前的汽车座椅加热功能多数采用电阻丝的方式，通过电阻做功发热，以热传导方式给座椅表面传递能量，电阻丝加热方式存在如下问题：a.热转换效率低；b.加热速度慢；c.加热不均匀等问题。

2 石墨烯的特点和优势

2.1 石墨烯材料的特点

石墨烯材料作为一种新型的材料，为碳六环构成的蜂窝结构，是新世纪以来很好的一种轻质材料，在物理和化学结构上石墨烯具有结构稳定、牢固，同时具备轻薄的特性，所以在应用和研究上有着重要的价值。

石墨烯的稳定性在于其原子结构分布一致[2]。在外力作用下，整个材料保持稳定，在此基础上单层的结构材料更加轻薄，所以也具备柔韧的特性。

在导电性上石墨烯也具备优越的性能，内部的电子在运动上不会受到外围干扰，呈现出导电速度快的优势。在导热方面，基本也和碳材料相同，有着导热速度快的特点。所以在实验新材料和市场应用方面都有着更广阔的前景。

2.2 材料的优势

石墨烯材料有以下三种优势：

a.超薄性。21世纪初英国曼彻斯特大学两位科学家通过一种特殊方法成功制备了石墨烯，他们通过石墨烯发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，由此获得了诺贝尔物理学奖[3]。当前制作做石墨烯主要采用化学气相沉积法和氧化还原法：化学气相沉积法，能够得到大片单层石墨烯，在透光率和性能上具有优势，但工艺复杂、成本高；氧化还原法采用溶液制程方便大量制备，成本上具有很大优势，所以多采用此种方法，然后优化性能，制作的石墨烯片可达到轻薄透光。

b.强韧性。虽然很薄，但石墨烯却是非常强韧的材料，同时它又有很好的弹性，拉伸尺寸能达到自身尺寸的20%。

c.导电性。因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，为它带来了全新的电学属性。中国科学院金属研究所的试验表明，如果将石墨烯与电子元件、电子设备结合使用，可以增强储电设备的储电率，提高储电性能。

3 石墨烯在各行业的应用和在汽车上的应用分析

3.1 石墨烯在各行业的应用

石墨烯材料具有良好的透光性、强度、柔韧度、导电导热性能，为复合材料、纺织领域、电子信息、节能环保、生物医药、化工、航空航天等多个领域都带来了巨大的进步和改变。

石墨烯是目前为止导热系数最高的材料，具有非常好的热传导性能，广泛应用于如地板、加热毯、衣服等用途[4]。和常规发热膜一样，石墨烯需要通电才能发热，石墨烯通电后，石墨烯材料本身在电流的作用下，原子、电子在相互运动中产生碰撞，因此产生热能。因为导电性能好，所以材料上电运行后，电热转化率接近90%以上。同时其发热性能稳定，能发出和人体契合的红外波。

3.2 石墨烯加热垫在汽车上的应用分析

在汽车配件领域很早就有汽车座椅外置加热垫，近些年随着石墨烯的广泛应用，在市场上也出现了石墨烯外置汽车加热垫。

很多汽车加热垫采用织物或皮革覆盖加热垫，但为了节省成本，多数介质是无法通风透气的，影响汽车原有通风功能和座椅的使用效果。外置加热垫使用的附加织物皮革，遮挡了汽车座椅原有的支撑曲线，弱化了汽车座椅原有的舒适性。

当前市场上销售的连接在汽车USB接口和点烟器上的加热垫，加热垫本身功率大小规格不同，强行适配使用其实特别容易短路造成车辆本身的损坏，严重的还容易产生火灾。

现有技术中，已有座椅生产厂家采用在汽车座椅上设置电加热丝实现对座椅加热的功能，这一技术方案通过升高座椅温度来实现对驾驶员背部及臀部等位置的加热，以缓解疲劳，提升环境的舒适性。但是单一的加热功能很难满足人们脊柱及腰腹位置的保健需要，且传统的单一电阻丝加热易出现加热不均的情况，影响使用者的体验度[5]。

如果想要在汽车座椅配置加热垫，就需要解决加热垫的通风功能，并符合汽车座椅的行业标准，让其和加热垫通风功能配合，才能实现在汽车座椅上的切实应用。

4 石墨烯加热垫的设计和验证

4.1 石墨烯加热垫的设计

石墨烯加热垫结构（图1）包括：透气无纺布、透气泡沫、基膜、集流体、发热涂层和热熔胶覆盖膜。

石墨烯加热垫的布局（图2）根据座椅泡沫形状和尺寸进行开发设计；结构采用曲线结构，在转角位置使用圆角，过渡部分使用扁平线缆，连接接口部分使用圆形铆接连接，在加热垫头部位置使用NTC传感器采集温度，内衬泡沫使用透气泡沫作为加热垫的载体，通过双面胶将加热垫固定在透气泡沫载体上，然后把透气泡沫固定在座椅泡沫上。

石墨烯加热垫主要有三大功能：

a.汽车座椅通风系统有两种，一种为吸风，一种为吹风，两种都需要配合座椅泡沫的孔道进行气流交换。我们在设计加热垫时，采用避开吹风孔的设计，这样既保证通风效果，也具备加热功能。

b.汽车按摩功能，按摩气垫以成组的形式排列在座椅靠背，石墨烯加热垫分别对应布置在按摩气垫的相应区域，石墨烯加热垫采用柔性条状结构，在拐角位置采用圆弧结构，可以贴合按摩气囊的移动，不会因加热垫形变而产生损坏。

c.石墨烯加热功能，根据汽车座椅加热功能要求，开发座椅石墨烯材料浆料、膜片形状和大小尺寸，然后通过加热控制器和内置的温度传感器进行高中低三挡控温调节。

4.2 石墨烯加热垫的验证

石墨烯加热垫制作样件，需要进行充分的试验验证，才能具备装车使用条件。

按照汽车行业标准QC/T 950-2013汽车座椅加热垫技术要求和试验方法，对石墨烯加热垫进行功能和性能的验证，开展了关键的验证试验（表1）。

通过对石墨烯新材料温度、耐久、负荷、通风等座椅行业标准的试验，确认石墨烯加热垫满足试验标准要求，可以应用到汽车座椅上。

 

5 结语

通过石墨烯在汽车座椅上的应用研究，证明了石墨烯的良好性能，可以批量应用到汽车座椅上，具有加热速度快、加热均匀、热转化率高、节能、红外辐射等良好性能。我国是汽车生产大国，也是全球最大的汽车市场，随着技术的发展，各种新材料在汽车座椅的上的应用前景一定更加广阔，给人们带来更好的使用体验。

审核编辑：郭婷