第五章 材料和产品的生态设计

1、第五章第五章 材料和产品的生态设计材料和产品的生态设计2内内 容容5.1 生态设计概念5.2 材料的生态设计5.3 生态产品的设计原则与方法5.4 工业生态学3人类现已使用了三分之一以上的自然资源或自然恩惠。引起资源枯竭的原因，除大量开采、无限度使用外，资源的回收利用率低是另一重要原因。随着人们对地球环境意识的提高，现在的工厂防止公害的措施已由排放口处理或控制，转到污染源头的控制。 4表5-1 几类机电产品中所含的稀有金属表5-2 某些重要金属的全球储藏量5 提高环境效益的策略有以下3条：防止污染、废弃物减量、绿色生产、绿色技术；生态环境设计；再利用与再生（循环式）。有研究者认为，生态设计应包

2、括和两条。6图5-1 现代设计内容及目标示意图75.1 生态设计概论生态设计概论一、生态设计的基本概念 生态设计（Eco-design，ED）是指在材料和产品的设计中将保护生态、人类健康和安全的意识有机地融入其中的设计方法，故又称为生命周期工程设计（Life Cycle Engineering Design，LCED）、绿色设计（Green Design，CD），或为环境而设计（Design for Environment，DFE）。 8 生态设计目标主要考虑生态设计目标主要考虑4 4个要素，即个要素，即先进性、先进性、经济性、协调性和舒适性。经济性、协调性和舒适性。 先进性：先进性：是指要充

3、分发挥材料的优异性能，是指要充分发挥材料的优异性能，满足各行各业对材料产品的要求；满足各行各业对材料产品的要求； 经济性：经济性：即考虑材料产品的成本，能够保即考虑材料产品的成本，能够保证制造商的利润，维持经济活动的运转；证制造商的利润，维持经济活动的运转； 协调性：协调性：就是要保证在材料的生产和使用就是要保证在材料的生产和使用过程中与环境尽可能协调，维持生物圈循环过过程中与环境尽可能协调，维持生物圈循环过程的平衡；程的平衡； 舒适性：舒适性：是指材料产品能够提高生活质量，是指材料产品能够提高生活质量，使人类生活环境更加舒适。使人类生活环境更加舒适。9 生态设计是面向产品的整个生命周期，是“

4、从摇篮到再生”的系统设计，是从根本上防止环境污染、节约资源和能源的一种重要的系统过程。 10二、生态设计的基本原则 生态设计就是“设计+LCA” 图5-3 生态设计的概念11生态设计产品的综合价值指标 ICPIPPerformanceCostImpact排除C环境效率排除ICP性能最好，成本最低12 产品设计时就要充分兼顾其性能、质量、成本与环境协调性1设计要点 生态设计的准则与目标是：（1）减少拆卸工作量 （2）可预见性 （3）易于处理 （4）易于分离 （5）减少多样性 13 产品设计总的要求是统一化、简化、省能、协调化，使产品低熵化，缩小不可逆过程，改进无序状态。具体要求如下： （1）选择

5、对环境影响小的原材料 （2）部件：产品是由相同或不同材质的部件组成 （3）产品：不同产品的生态设计要求侧重不同 142生态设计方法与过程从时间轴向分类如下：1）初步设计（概念设计）。2）详细设计（基本设计）。3）生产设计。从空间轴向分类如下：1）材料设计。2）功能设计。3）外观设计。15根据不同要求，生态设计有两种类型： （1）现有材料生态化的再设计 （2）新型生态材料的生态设计 生态设计方法主要有系统设计、模块化设计、公理化设计、虚拟拆卸设计、长寿命设计及再生设计等 16 从生产和使用的角度看，有关材料再生设计的内容主要有四个方面：一是对某种废弃物的直接再利用；二是对某些零部件的回收再利用；

6、三是将某种废弃物作为原料再利用；四是有关材料生产过程中的能源回收再利用。17一、金属材料生态设计 要求建立3个基本概念：减少合金元素而保持高性能；以调整显微组织作为加入合金元素的替代方法来获得所需性能；再生过程中易于分离和无二次污染。18合金系中组元越少，合金的再生循环性能越好 超级通用合金和简单合金的概念就是使用合金元素种类最少，且能满足各种用途要求的标准合金系 组元组成简单的合金系 固溶体合金一、金属材料生态设计19 可通过改变成分配比在大范围内改变性能的合金系主要有以下几种： （1）FeCrNi钢 通过改变Fe、Cr和Ni的相对含量，可以生产出从铁素体钢到不锈钢的一系列钢种，其组织和性能

7、可以在很大范围内发生变化。（2）Ti合金 改变Ti、Al和V的相对含量，可使合金的组织与性能发生很大的变化 （3）Cr-Mo钢 高温蠕变强度主要和铁素体基体中的置换溶质元素Cr、Mo的固溶量成正比，与碳的固溶度成反比。而碳化物的沉淀强化作用与置换元素的固溶强化作用相比，对整个断裂寿命的影响很小。20简单合金在成分设计上应有以下特点：简单合金在成分设计上应有以下特点： 合金组元、规格简单，再生循环过程合金组元、规格简单，再生循环过程中易于分选；中易于分选； 原则上不添加现在尚不能精炼脱除的原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素。元素。 尽量不使用环境协调性不好的合金元尽量不使用环境协调性不好的合金

8、元素。素。21研制简单合金时应遵循以下两原则：研制简单合金时应遵循以下两原则：在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金组元数；组元数；获取合金高性能时，以控制显微组织作为加获取合金高性能时，以控制显微组织作为加入合金元素的替代方法。入合金元素的替代方法。Fe-C-Si-Mn系低合金钢可以获得在大范围内变系低合金钢可以获得在大范围内变化的力学性能，从而满足不同用途时的材料性化的力学性能，从而满足不同用途时的材料性能要求。能要求。 22现代材料进行环境协调性设计，一般包括：1）强度（也包括疲劳强度等），韧性，高比强度（先进性）。2）简单组成，易解体结构（环境协调

9、性）。3）功能兼容，多功能性（舒适性）。231）钢铁的杂质分离技术和杂质无害化技术 钢材种类十分繁杂，含有多种合金元素（如Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、V、Ti、Zr等）。大量金属制品还含有金属涂层（如Sn、Zn）和非金属涂层（如油漆、塑料等），加上回收过程中不可避免地混入的其他材料，使得回收废钢铁化学成分复杂、品质低劣，用来生产新材料必然导致材料性能的劣化。 24 钢中杂质元素的去除主要是通过氧化反应进行。这就是说与氧的亲和力比铁大的元素几乎都可以从钢水中除去，而比铁更难以氧化的元素则几乎全部残存于钢水中。因此，废钢中的杂质（合金）元素可以分为以下几种类型：几乎全部残存于钢水中的元素，

10、如Cu、Ni、Sn、Mo、Co、W、As、Sb；不能完全除去的元素，如Cr、Mn、P、S；从钢水中几乎可以全部除去的元素，如Si、Al、V、Zr、B等。25应该大力研究和开发以下冶金技术：针对含有不能去除元素废钢的炼钢技术和精炼技术再生循环钢中杂质无害化技术钢材的可再生循环设计技术废钢铁再生循环过程中的分离与分选技术262）铝材的杂质分离技术和杂质无害化技术 铝及铝合金是产品和消费量仅次于钢铁的金属材料。 铝材又是生产过程中环境负荷最大的金属材料之一。 使用再生铝的最大障碍是再生铝的性能较差。 废铝中的有害杂质通常为Fe、Cu、Zn、Ni、Ti等，其中铁是最重要的有害元素。 目前在Al-Si合

11、金中进行的杂质无害化技术的研究主要表现在以下两方面： 第一，改善含铁杂质再生铝合金的力学性能。 第二，改善含铁杂质铝合金的耐腐蚀性能。 273）铜再生循环的现状 铜产量的40%用于制造电线。电线采用烧线处理法、解体处理法、粉碎处理法对涂层材料和铜导体进行分离分选，铜经压块或破碎后被再生利用。 用于电线制造的废铜比率约为10%，这是因为电线需具备高电导率及热处理后具有稳定的特性，必须使用高纯废铜才行，因此大部分回收电线被用作黄铜合金的原料或冶炼铜锭的原料。正确掌握废电线的再生率是困难的，电力、通信行业的废电线比较集中，再生率比较高，而家电、汽车等使用的铜的回收率则是一个较难的课题。 28环境协调

12、性金属材料设计的其他范例环境协调性不好有双重含义：一是指地壳中蕴藏量不大的枯竭性元素；二是指对生态环境特别是对人体有较大毒害作用的元素。 2930含Pb37%的Sn-Pb合金是传统的钎焊合金，具有良好的金属湿润性、低熔点和可靠的焊接质量 313233341陶瓷材料的生态设计改善陶瓷的生态功能需要从两个方面入手：1）调节材料的组成，使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界面等。2）改变工艺条件，包括原料物化性能和状态、加工成形、烧结状态和成品加工条件等。35 通过控制陶瓷多晶体界面的结合力来提高断裂韧度。采用的微结构控制技术可举例如下：1）通过相变增韧二氧化锆陶瓷2）使长柱状氮化硅晶粒在氮化硅基

13、体长大的自生复合陶瓷3）纳米复合陶瓷材料是在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合4）在陶瓷基体中加入耐高温纤维形成强化复合陶瓷。362. 建筑材料的生态设计 建筑材料在可循环再生设计方面，主要包括如下几点：1）减少使用材料，以最少的材料达到对性能和功能的要求。2）材料再使用要求可拆卸，可修复使用。3）循环使用可拆卸，可降级使用。37 在环境材料研究进展中，作为建筑领域固有的建筑材料及其构件的再生循环的关键技术，下述方法将具有确定的重要地位：（1）混合结构形式 钢筋混凝土建筑物采取柱、梁和墙壁在现场整体混凝土灌筑方式。 （2）高功能性和再生循环性结合的增强材料及其应用与地球环境相协调并具有良好再生

14、循环性的混凝土构件应该是既具有长的使用寿命，又能在解体后容易再生循环的构件。 381材料再生循环法 材料再生循环法的思路是在塑料功能丧失之前，将废塑料作为原料多次再生循环使用。 经材料再生循环法制成的再生塑料，存在一个降低使用的问题。 考虑两点：一是材料的相容性；二是如何评价回收塑料的老化程度。2化学再生循环法 化学再生循环法的基本思路是将回收废塑料作为资源，以石油或单体形式利用。 39四、复合材料的生态设计1复合材料生态设计原则 一般来说，使复合材料分解比制造时的成本和使用阶段的能源还高。 21世纪的材料应当是有自修复性、自分解性、自组织化功能等的智能材料。 复合材料多功能化是设计的一个方向

15、。 402. 有机复合材料的可再生循环设计 玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强材料（CFRP）。 413. 塑料合金的研究 将两种以上的聚合物复合，做成具有新功能的材料即所谓塑料合金。 424热塑性弹性体 热塑性弹性体是兼备橡胶与热塑性塑料成形性的新材料 43 模块化设计时不应只考虑一种型号或一模块化设计时不应只考虑一种型号或一代产品的部件模块化，而应考虑到整个产品代产品的部件模块化，而应考虑到整个产品系列中各代产品零部件的模块化和通用性。系列中各代产品零部件的模块化和通用性。 产品在其技术寿命完成后，要经历拆卸产品在其技术寿命完成后，要经历拆卸和再生循环过程，在再生循环过程中生产出和再

16、生循环过程，在再生循环过程中生产出来的材料和再利用的零部件一道返回制造厂来的材料和再利用的零部件一道返回制造厂重新生产新产品重新生产新产品 。44可再生循环设计中应首先建立以下概念可再生循环设计中应首先建立以下概念 规定产品系列和产品代的淘汰标准；规定产品系列和产品代的淘汰标准；建立评价再生循环和再利用方法的量度；建立评价再生循环和再利用方法的量度；建立促进有效的再生循环和再利用的体系。建立促进有效的再生循环和再利用的体系。45产品拆卸分解过程复杂程度的衡量标准： 种类复杂性，产品系列中零件的通用度。 材料复杂性，在一种产品中使用的材料种类数。 分类复杂性，拆卸过程树状图中的“级数”和“群数”

17、。 分类仓4647 为了有效地建立可再生循环性图，必须建立材料的可再生循环性数据库，或者至少提供一种能够准确地预测材料废弃率的方法。此外，下列因素也很重要：再利用和再加工后的模块化组件的经济价值；材料的兼容性（粉碎后作为混合材料的易分离性和经济价值）；经再生循环后再生材料的经济价值。 481工业生态学原理 在环境材料学科里，材料的可持续发展是一个努力的目标，而工业生态学为实现这个目标提供了一种手段。 工业生态学是为解决现存的一些工业过程与可持续发展的目标之间的矛盾而提出的工业代谢理论。一般认为工业生态学是一种提高资源效率和促进环境保护的系统原理。这种系统原理旨在通过连续不断的技术、文化和经济的

18、革新和进化，为人类社会保持一个可持续的生存环境提供一种优化的手段。 49 工业生态学目标是通过分析自然界的生物循环系统，将生物圈的循环原理用于工业过程，把现有工业体系通过工业生态学的途径，转化为可持续发展的体系，最终实现人类社会的可持续发展。505152 工业生态学倡导现代工业体系应向三级生工业生态学倡导现代工业体系应向三级生态系统转换，这种转换称作工业过程的生态结态系统转换，这种转换称作工业过程的生态结构重组。转换包括构重组。转换包括3 3个层次：个层次：宏观层次宏观层次是改善整体经济的物质和能源效率；是改善整体经济的物质和能源效率；中间层次中间层次是重新审视产品与制造过程，减少废是重新审视产品与制造过程，减少废物的排放量；物的排放量；微观层次微观层次是设计最简洁的工艺，优化工艺过程，是设计最简洁的工艺，优化工艺过程，提高生产效率。提高生产效率。53转换的战略包括转换的战略包