碳纤维复合材料在汽车后座椅骨架上的应用

汽车的座椅作为比较重要的内饰部件，其设计工作也比较复杂。研究表明，汽车座椅的质量在汽车总质量中所占的比例不到2%，虽然其所占比例较小，但是对于整个汽车质量而言，座椅轻量化具有重大意义。在座椅设计工作中，必须考虑造型美观、安全性能、功能作用及座椅是否舒适等因素，所以座椅轻量化的设计必须以座椅的各性能为基础，在保持各性能基础之上减轻座椅重量,最大限度地实现座椅轻量化，同时更要加强座椅的安全性能，汽车座椅轻量化的实现依然具有极大的挑战性与研究性。此外，汽车轻量化能加快汽车行业的发展，降低能源消耗,贯彻落实了可持续发展理念，即使在实现汽车座椅轻量化的过程中会产生很多问题，也必须咖大其研究力度，保证汽车行业的发展需求得到满足。

2.1 碳纤维材料

碳纤维是一种微晶石墨材料, 该材料是由有机纤维进行石墨化和碳化处理后得到的，其含碳量在无机高分子纤维中所占比例高达90%。从微观上来看，碳纤维的结构与人造石墨的结构比较相似，属于乱层石墨结构。同时，碳纤维作为- -种新型增强纤维，既具有碳材料本身存在的特性,也具有纺织纤维的可塑性与柔软性。将碳纤维跟玻璃纤维与凯芙拉纤维进行比较后会发现，碳纤维的杨氏模量是玻璃纤维的杨氏模量的3倍以上，是凯芙拉纤维的杨氏模量的2倍左右，并且显示出极大的耐腐蚀性。碳纤维具有很强的特性， 其模量与轴向强度很高，不会产生蠕变现象，承受力的反复作用的能力极强，比热容与导电性都在金属与非金属之间，其热膨胀系数较小，且纤维的密度较低;光投性较好。但是由于碳纤维的抗冲击性能力较低，经常出现受损情况，而且在强酸条件下会产生氧化现象,如果将其与金属复合还会出现金属渗碳、碳化、腐蚀等现象，所以必须将碳纤维进行表面处理。

2.2 碳纤维复合材料

复合材料是由多种材料复合制成的，碳纤维复合材料是将碳纤维与陶瓷、树脂、金属等物质复合后形成的结构材料。目前，人们时刻关注着纤维增强材料的研发,如今复合材料多样化,玻璃纤维、玻璃钢首先被研发出来,随后碳纤维、硼纤维增强复合材料与陶瓷纤维也研制成功。复合材料的性能在不断改进，使得复合材料的发展前景越来越广阔。

2.3 应用领域

碳纤维通过-定的工业程序可以加工成纺织物、毯子、纸制品等材料，在传统应用中-般将碳纤维作为绝热保温 的材料，不会单独使用，多数情况下会将其看成一种增强材料，在金属、树脂、混凝土及陶瓷等材料中加入碳纤维材料，形成特定的复合材料。由于碳纤维复合材料比重较小，抗变形能力与抗破坏能力较强，因此在航天航空领域中应用比较广泛，先进的复合材料为航天飞行器的质量做出了极大贡献。同时，碳纤维复合材料不仅可应用于飞机结构、火箭外壳,还可应用于机器人、机动船体、汽车零件及电磁屏蔽等领域。

汽车后座椅骨架是一辆汽车中很重要的承载部位，设计必须严谨，将碳纤维材料应用在汽车后座椅骨架上的时候必须全面考虑设计要求。通常情况下，评判座椅骨架合格与否、安全性能高低必须观察后座椅在动态冲击力、前向冲击力与疲劳强度等实验。

(1)后座椅的行李箱在动态冲击下的实验。在汽车进行急剧咸速模拟实验后，观察汽车后座椅的行李箱在受到动态冲击后的保持状态，仔细察看行李箱内的物体对汽车后座椅的冲击情况。通过强烈的冲击力可以检验汽车后座椅的抗击能力是否足够强大，根据此实验对后座椅骨架设计进行改进，防止出现物体由于冲击力进入乘坐区域而造成的人员受伤的情况。

(2)后座椅头枕在前向冲击下的实验。此实验将模拟乘客在前向冲击下头部撞击头枕，观察该情况，检验后座椅的头枕结构的强度大小，根据实际情况进行改进，保证汽车在发生意外事故时乘客的头部会得到有效保护。

(3)后座椅骨架在疲劳实验下的强度大小。后座椅骨架有很多疲劳强度实验，包括座椅前后、座椅侧向等不同的疲劳强度实验。这类实验的步骤都很相似，都是通过反复的周期应力来观察骨架结构的疲劳强度，在此基础上进行技术改进，达到后座椅骨架耐久性极强的目的。

碳纤维材料应用在汽车后座椅上时，座椅管件与其他零件的连接比较麻烦，其工作比金属管件的工作复杂，且减重效果并不明显，没有充分运用到碳纤维复合材料的特性。碳纤维材料在进行工艺制造的过程中要进行预埋工作,保证零件部位的稳定性，而且工艺制造的成本也较高，可运用先进的技术手段完成后座椅骨架的设计工作。在碳纤维塑料成型的工作中，碳纤维材料主要的呈现方式是短纤维，与碳纤维复合材料进行比较会发现短纤维的结构强度较低。因此，采用碳纤维材料制成的产品符合汽车后座椅骨架的耐冲击性、耐腐蚀性、高强度、高疲劳等特性。

5.1 用碳纤维管材代替传统钢制管件

碳纤维复合材料可以代替传统的钢材料，汽车后座椅骨架用传统的钢制成，铜密度比碳纤维的密度大，而汽车座椅轻量化需要减轻座椅重量，所以可以用碳纤维复合材料代替钢材质来制作座椅骨架，可最大限度地达到减重效果。但是在骨架管件与其他相关零件连接的时候会出现很多细节问题，两者之间的连接可采用从中间进行三通管连接方式，还可运用胶水进行连接，实际操作需要不停地研究实验，因此汽车后座椅骨架的实际减重效果会受到- -定影响。

5.2 将碳纤维材料进行热压成型

按照设计的样式铺设碳纤维布，最后将热固性树脂加入模具中，这就是热压成型的制造方式。该方式工艺比较简单，所有的工艺材料基本都是碳纤维材料，因此减重效果极其明显。碳纤维在产品中呈现的结构是纺织结构，其耐冲击性比较强，但是采用碳纤维材料需要注意其与其他零件连接时的细节问题，如果有轴销或者预埋钢制衬套的需求必须充分考虑工艺步骤的工作。目前，汽车后座椅的模具成本比较高，在前期阶段必须将产品性能了解分析得非常透彻，才可以正式进行模具制造和生产活动，这对工艺设计与计算机模拟工作的要求都比较高。树脂材料会在模具内进行化学反应，这不仅要求工作人员能够及时解决温度较高的情况，还需要解决产品反应后降温的现象，要充分保证产品的尺寸及性能。

5.3 将碳纤维材料进行注塑成型

用碳纤维增强型材料进行注塑工作，将其采用分组形式进行混炼，使其得到充分融合，进行反应后形成注塑用的塑料粒子，然后将其注塑成型形成产品。对于汽车后座椅的骨架设计需要从整体考虑，全面分析零件性能，可充分应用计算机模拟技术进行仿真分析，并且不断改进技术手段。

总之，本文描述了汽车轻量化的意义，探讨了碳纤维材料对于汽车后座椅的应用方案，使汽车后座椅向轻量化发展，汽车后座椅的轻量化也会给汽车发展带来很大作用。本文确定了产品未来的开发方向及设计工作，希望碳纤维材料在汽车后座椅上的应用会更加广泛，汽车行业的发展越来越好。