長(zhǎng)纖維復(fù)合材料在汽車(chē)座椅上的應(yīng)用

苗 京

（一汽-大眾汽車(chē)有限公司， 吉林 長(zhǎng)春 130000）

引言

近些年來(lái)，人們對(duì)汽車(chē)座椅的各類(lèi)要求隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展不斷地提高，汽車(chē)座椅的輕量化、多功能、環(huán)保舒適及安全性等方面是人們對(duì)汽車(chē)座椅的基本需求，因此，這些方面逐漸成為汽車(chē)座椅發(fā)展的主要方向。長(zhǎng)纖維復(fù)合材料是由樹(shù)脂與長(zhǎng)纖維組成的復(fù)合材料，具有多種特性，如高強(qiáng)度、低密度、生產(chǎn)時(shí)間較短及容易成型等，適合于汽車(chē)座椅現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢(shì)，因此在汽車(chē)工業(yè)中其漸漸成為汽車(chē)座椅的首選材料。

1 汽車(chē)座椅綜述

汽車(chē)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(gòu)成，除此之外，由于市場(chǎng)的需求不同，部分座椅還具有扶手、腰托或按摩等相關(guān)舒適性部件，部分座椅帶有杯托、抽屜等其他儲(chǔ)存功能的部件。

目前汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)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(guī)的座椅大多數(shù)的主要材料均為金屬材料，金屬密度大質(zhì)量重，單單依靠?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)改善汽車(chē)座椅輕量化的發(fā)展空間得到了限制。而長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則具有優(yōu)異的力學(xué)性，能夠取得顯著的輕量化效果，因此，在汽車(chē)領(lǐng)域中逐漸被人們應(yīng)用，不但在多數(shù)簡(jiǎn)單非重要部件中被應(yīng)用，在一些復(fù)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(chē)輕量化的重要性

汽車(chē)的輕量化是指在汽車(chē)的安全性能以及強(qiáng)度均能夠得到保障的基礎(chǔ)上，最大限度地將汽車(chē)整體的重量降低，進(jìn)而增強(qiáng)汽車(chē)的動(dòng)力性，并降低排放及燃料的消耗量。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)可知，汽車(chē)的燃油量與汽車(chē)被本身的重量有最直接的關(guān)系，汽車(chē)每減輕100 kg的質(zhì)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(xiàn)階段在汽車(chē)發(fā)展逐漸偏向環(huán)保、節(jié)能的背景下，現(xiàn)代汽車(chē)在其設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中，汽車(chē)的輕量化具有極為重要的意義[1]。

汽車(chē)座椅是汽車(chē)眾多內(nèi)飾部件中極為重要的一件。根據(jù)調(diào)查顯示，汽車(chē)座椅的重量在整個(gè)車(chē)身中占據(jù)1.5%～2%的比重。雖然汽車(chē)座椅在車(chē)身總重量中占據(jù)的比例不大，然而，其作為汽車(chē)內(nèi)部重量較大且也是極為重要的部件之一，在整輛車(chē)的輕量化過(guò)程中所貢獻(xiàn)的力量不容小覷。汽車(chē)座椅是整個(gè)汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中比較繁瑣的部件之一。汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)過(guò)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(chē)傳統(tǒng)座椅要求的前提下，才能夠?qū)嵭衅?chē)座椅的輕量化設(shè)計(jì)，降低汽車(chē)座椅重量的同時(shí)，汽車(chē)座椅的各項(xiàng)基本性能必須能夠得到保證，尤其是座椅的安全性。汽車(chē)座椅的輕量化設(shè)計(jì)在這些要求的影響下變得更加具有挑戰(zhàn)性，也更加值得人們對(duì)其進(jìn)行研究。

3 長(zhǎng)纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用狀況

長(zhǎng)纖維復(fù)合材料隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也得到了飛快的發(fā)展，現(xiàn)階段，長(zhǎng)纖維復(fù)合材料已經(jīng)變成增強(qiáng)塑料行業(yè)中增長(zhǎng)速度最快的產(chǎn)業(yè)之一。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，長(zhǎng)纖維復(fù)合材料得到了很大的發(fā)展，比如日本帝人公司、美國(guó)LNP公司、Ticona公司、圣戈班公司等在國(guó)際中知名度較大的材料企業(yè)均研究出了長(zhǎng)纖維復(fù)合材料。

根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)纖維復(fù)合材料在歐美國(guó)家汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用比例較大，占總用量的33%左右，并且還會(huì)隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展而持續(xù)增長(zhǎng)?，F(xiàn)階段，長(zhǎng)纖維復(fù)合材料在汽車(chē)的內(nèi)飾、功能件以及結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用較為廣發(fā)，用長(zhǎng)纖維符合材料取代傳統(tǒng)的金屬材料，可以在減輕汽車(chē)重量的同時(shí)，使生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化、生產(chǎn)模塊化。美國(guó)通用汽車(chē)公司是國(guó)際上最大的汽車(chē)制造商之一，其已在運(yùn)動(dòng)型汽車(chē)與輕便貨車(chē)的貨箱板上應(yīng)用了玻璃纖維復(fù)合材料。在復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，福特公司是眾多領(lǐng)導(dǎo)者之一，其生產(chǎn)的汽車(chē)，采用了纖維增強(qiáng)的片狀塑料作為車(chē)身隔熱板的材料。2011年，德國(guó)BMW汽車(chē)公司旗下生產(chǎn)的某種型號(hào)汽車(chē)的駕駛員座椅采用了PP-LGF50材料，這種材料使汽車(chē)座椅的質(zhì)量減輕了63%，同時(shí)也提高了汽車(chē)座椅的使用壽命[2]。

4 長(zhǎng)纖維復(fù)合材料在汽車(chē)座椅中的應(yīng)用

4.1 提高座椅的使用期限與安全性

長(zhǎng)纖維復(fù)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(huì)在突然之間爆發(fā)出來(lái)，而是由基體到集體界面以及纖維上緩慢的擴(kuò)展開(kāi)來(lái)。因此，人們能夠提前發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的損壞，并及時(shí)針對(duì)其采取相應(yīng)的補(bǔ)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(zhǎng)纖維復(fù)合材料還具有穩(wěn)定的安全性，假如發(fā)生超載現(xiàn)象的部件選用這種材料制成，汽車(chē)座椅的作用不會(huì)立即消失，而是先斷裂少量的纖維，負(fù)載會(huì)在這時(shí)重新進(jìn)行快速分配并傳遞至未受到損壞的纖維上，這樣在短時(shí)間內(nèi)整個(gè)構(gòu)件便不會(huì)被重物擊垮。

4.2 降低座椅的振動(dòng)幅度

長(zhǎng)纖維復(fù)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(zhǎng)纖維復(fù)合材料與金屬材料在相同的條件下實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)，前者比后者的衰短時(shí)間較短。因此，采用長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的汽車(chē)座椅有效地降低了座椅振動(dòng)頻率與時(shí)長(zhǎng)。

4.3 減少座椅成本

在對(duì)長(zhǎng)纖維復(fù)合材料進(jìn)行加工時(shí)不需要化學(xué)反應(yīng)，直接將增強(qiáng)纖維根據(jù)預(yù)定的方向擠出，同時(shí)排布在基體上，進(jìn)而形成鋪層結(jié)構(gòu)，并在高速液壓機(jī)上將其壓制，這樣就可以加工長(zhǎng)纖維復(fù)合材料。這種方法在省去買(mǎi)半成品費(fèi)用、降低制造成本的同時(shí)，又保障了纖維長(zhǎng)度，更加優(yōu)化了構(gòu)件的力學(xué)性能[3]。除此之外，將基體與纖維結(jié)合在一起，再用模具成型加溫固化，便能夠?qū)㈤L(zhǎng)纖維復(fù)合材料部件制作出來(lái)，基體在此制作過(guò)程中由流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，因此由長(zhǎng)纖維復(fù)合材料制成的汽車(chē)座椅不容易生成裂縫。

4.4 降低座椅高溫時(shí)的損害度

長(zhǎng)纖維符合材料在一般狀況下都可以達(dá)到耐高溫的效果，普通的鋁合金處于400℃時(shí)，它的彈性模量會(huì)有大幅度的降低，然而在同樣的條件下，使用長(zhǎng)纖維材料增強(qiáng)后的鋁合金，其彈性模量以及強(qiáng)度能夠保持不變。因?yàn)殚L(zhǎng)纖維復(fù)合材料具有較小的熱導(dǎo)率，因此其耐高溫性能較好。將長(zhǎng)纖維復(fù)合材料應(yīng)用到汽車(chē)座椅中，能夠有效降低高溫狀況下汽車(chē)座椅的損害度。

4.5 保持座椅各種性能的穩(wěn)定

長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的眾多特點(diǎn)中較為顯著的為高比剛度及高比強(qiáng)度，其性能具有較寬的變化范圍，根據(jù)纖維材料、纖維含量及鋪陳方向的不同，所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品強(qiáng)度指標(biāo)、阻燃性能及彈性模量也不同。在某種鋪層方式下的長(zhǎng)纖維復(fù)合材料，將材料向一方向拉伸時(shí)，材料能夠在垂直于拉伸方向上也獲得伸長(zhǎng)，這種性能與常用材料完全不同。汽車(chē)座椅在其設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)選用易于設(shè)計(jì)且能夠維持性能穩(wěn)定的材料，長(zhǎng)纖維復(fù)合材料便能夠在靈活設(shè)計(jì)出不同形狀的同時(shí)保持其各方面性能的穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)座椅作為汽車(chē)的承載力部件，在交通事故發(fā)生時(shí)對(duì)保障車(chē)內(nèi)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(fā)展是汽車(chē)座椅發(fā)展的必然趨勢(shì)。長(zhǎng)纖維復(fù)合材料具有各種優(yōu)良的性能，提高汽車(chē)座椅質(zhì)量的同時(shí)又減輕了其質(zhì)量，提高各種性能的同時(shí)又降低了成本，由此可見(jiàn)，隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展以及長(zhǎng)纖維復(fù)合材料發(fā)展中技術(shù)水平的不斷提升，在汽車(chē)座椅中，長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的應(yīng)用前景定會(huì)日益廣闊。