环境材料第四章

环境材料第四章第1页，课件共56页，创作于2023年2月图4-1现代设计内容及目标示意图第2页，课件共56页，创作于2023年2月第一节

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,又称为生命周期工程设计（LifeCycleEngineering

Design,LCED）、绿色设计(GreenDesign,GD),或为环境而设计(DesignforEnvironment,DFE)。目前生态设计已经成为推行预防生态环境受到危害的重要手段,是最高级的清洁生产措施和可持续发展的最佳途径。生态设计是采用先进技术、工艺并采用可循环材料以减少对生态环境破坏的设计,要明显地减少材料制造前的隐性材料物质流和能源流,即在材料循环的前端减少,而不应仅仅是促进生产从而造成废弃物的循环。第3页，课件共56页，创作于2023年2月生态设计：是指“环境因素”决定设计决策的方向，即环境与产品开发中其它因素（如利润、功能、美观等）一样同等重要，甚至更重要。这个概念强调了产品的生态设计。属于狭义的生态设计生态设计：指任何与生态过程相协调，尽量使其对环境的破坏影响达到最小的设计形式。这种协调意味着设计尊重生物多样性，减少对资源的剥夺，保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，以有帮助改善人居环境及生态系统的健康。这种生态设计不仅涉及产品，还包括原材料、生产过程、产业系统、景观和建筑等，属于广义的生态设计。第4页，课件共56页，创作于2023年2月生态设计的概念，在不同的研究机构和企业中却使用了不同的名称，例如，环境设计（designfortheenvironment）、环境意识设计与制造(environmentallyconsciousdesignandmanufacturing)、绿色设计(greendesign)、寿命全程没计(lifecycledesign)、产品责任意识(productresponsibility)、环境质量设计(environmentalquality)、产品完整性设计(productintegrity)等等。

第5页，课件共56页，创作于2023年2月

生态设计的基本思想是从产品的孕育阶段就开始自觉地运用生态学原理,使产品生产进行物质合理转换和能量合理流动,使产品生命周期的每个环节结合成有机的整体。

生态设计的目标：先进性、经济性、协调性和舒适性。

先进性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；经济性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；协调性是要保证在材料的生产和使用过程中与环境尽可能协调,维持生物圈循环过程的平衡；舒适性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。

第6页，课件共56页，创作于2023年2月图４－２产品设计对改善环境性能的贡献示意图

追求可持续发展,实现工业生态化,推广物质流分析,提高资源效率等,最终都体现在环境协调性设计过程中。据有关专家统计,设计对环境保护的贡献可达到70％～90%以上。只有通过环境协调性设计,才有可能将环境污染从源头开始控制。第7页，课件共56页，创作于2023年2月二、生态设计的基本原则

日本学者山本良一教授提出的生态设计概念就是

“设计＋LCA”

。

第8页，课件共56页，创作于2023年2月产品的三要素（以产品的生命周期为中心）成本(Cost,简写C):包括原料成本、制造成本、运输成本、循环再生成本、处理成本等生命周期全程的费用；环境影响(Impact,简写I):包括地球温室效应、臭氧层破坏、资源枯竭等给地球造成的影响；性能(Performance,简写P):包括安全性、是否方便实用、是否符合审美观、施工难易程度等产品性能。经济价值、环境价值和产品价值的总和即为生态设计产品的综合价值指标。生态设计产品的综合价值指标可用P/IC表示。设法使P趋于最大、I与C趋于最小,生态设计的基本原则P/I

：称为环境效率第9页，课件共56页，创作于2023年2月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。

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:三、生态设计方法

第10页，课件共56页，创作于2023年2月(1)原材料：选择对环境影响小的原材料,减少产品生命周期对环境的影响应首先考虑对原材料的选择。选择的具体原则:1)采用易再循环材料,不采用难于回收或无法回收的材料。尽量避免使用不可再生，或者需要很长时间才能再生的原料,如矿物燃料，金属铜等。尽量使用可以再循环利用的原料，可以减少原料在采掘和生产过程中的能耗。

如：日本的Beauty工业利用废旧的玻璃作为原料，生产的免烧瓷砖可以节省大量的资源和能源，而且这种瓷砖可以再利用。第11页，课件共56页，创作于2023年2月2)尽量避免使用或减少使用有害、有毒、危险的原材料。3)选择丰富、容易得到的原材料。优先选择天然材料代替合

成材料。4)减量化。尽可能减少材料使用量,节省资源。5)统一化。尽可能采用同一种材料,使产品使用后容易处理。6)组合化。尽可能采用即使混合也不能妨碍再资源化的材料

组合。7)标准化。尽量采用标准结构,便于更换更新,延长产品

的使用寿命。8)尽可能从循环再生中获取所需的原材料,特别是利用固体废弃物作为原材料。9)选择能耗低的原材料,使用量大的原材料尽可能就地取材,

避免远途运输,以降低能耗和成本。第12页，课件共56页，创作于2023年2月采用低耗能原料在原料的采掘和生产过程中，需要的工艺过程愈复杂，所消耗的能源就越多。这种在采掘和生产过程中消耗大量能源的原料称为高耗能原料。但是须注意：必须采用系统的和全生命周期的观点来待，即全局看待其原料采掘、生产和使用过程。如：碳纤维属于高耗能材料，但是其后续的使用过程中因为其具有良好的强度、硬度、抗老化等优良特性而节省能源。铝属于高能耗物质。但由于铝较轻，同时又易于回收，使用阶段用的能量较少。第13页，课件共56页，创作于2023年2月(2)部件：产品是由相同或不同材质的部件组成。部件的生态性能和部件的设计及选择是产品设计的重要部分。设计及选择的具体原则：1)少量化(积木化)。使再利用或循环处理容易。2)标准化、规格化。有利于维修、更换、回收再利用。3)长寿命化。尤其是易损部件的长寿命化,可提高产品的整

体寿命。4)连接简化。采用容易拆卸的连接方法。5)重复利用化。经过翻修可达到原设计要求而再次使用。

第14页，课件共56页，创作于2023年2月(3)产品：不同产品的生态设计要求侧重不同。例如,一次性或更新换代较快的、寿命短的产品要求易于循环再生或易处理,而象建筑产品等则要求使用寿命长,从而使产品降低环境负荷。对一般产品,具体设计要求：1)部件协调化。再利用、再资源化时容易拆卸,同时减少使

用工具、减少接合处。采用积术式结构设计,可以通过局部更

换部件，延长产品的使用寿命。

2)易分离、解体。3)易破碎、筛选、焚烧、最终处理等。4)易搬运、输送。例如大型产品容易分离拆卸的结构。5)材料的标志化。便于分类处理,便于处理方法选择。6)易维修,延长使用寿命。7)情报的公开化。8)符合法律法规和有关标准。第15页，课件共56页，创作于2023年2月

1.产品的再资源化利用：例如：柯达公司一次性相机再循环计划。该计划鼓励各洗印部把空的一次性的相机壳体送回该公司，然后公司将这些照相机的壳体拆开，一些零部件可以再次用于新的一次性相机中，另一些零件则作为废旧塑料或金属再循环，为了实现这些用途，在产品设计时必须考虑产品部件的标准化和易拆卸。通过这种设计，相机再循环率达到了60％，在美国等发达国家达到了70％。2.通过优化产品结构可以达到优化产品功能及延长产品受用寿命的目的。例如：20世纪90年代初，欧洲的一家家电杂志提出SONY电视的环境性能比竞争对手差。SONY认识到这一问题后决定重新设计其产品。改进后的电视不再使用三氧化锑等危险原料，也不再使用PVC。而且减少塑料使用量52％，原材料的使用总量大大下降。另外SONY承诺该电视可快速拆解，整机只用了9枚螺钉，整机再循环率达到了99％。而且制造成本下降了30％，装配速度比以前大有提高。

第16页，课件共56页，创作于2023年2月3.整合产品功能：将几种功能或产品组合进一个产品中，则可节约大量的原料和空间。例如：德国Viessmann公司开发了多功能集成的太阳能收集阳台栏杆，这种栏杆是一种真空管收集器，它可用于取代大的太阳嵌板。厚硼硅酸盐玻璃和耐用的真空管玻璃/金属收集器保证了安全性和长寿命。由于这一创新，阳台栏杆和太阳能收集器不在需要独立的建造，节省了能源和材料。而且这种收集器比平板收集器效率高30％。第17页，课件共56页，创作于2023年2月米其林轮胎的生命周期评估和生态设计轮胎的制造阶段使用总能量9Kge.p.轮胎的使用阶段90Kge.p.

延长使用寿命：采用子午线结构，寿命提高3倍；改进胎面花纹设计，寿命延长25%；胎面可两次翻新。

降低滚动阻力：采用二氧化硅增强，可减少阻力20%

降低噪声：改进轮胎设计，可降低噪声1/2～1/3与汽车制造商合作降低能耗与道路建设者合作改善路面质量与司机合作保持良好的驾驶习惯和适当的维护废轮胎，回收材料制造橡胶制品，作为公路路面，合成地板覆盖层回收能量相当于优质低硫煤6.5Kge.p.第18页，课件共56页，创作于2023年2月将所有的废弃物都能再循环，而没有东西扔到垃圾填埋场------零填埋。法国雷诺汽车公司组织了日回收处理3000辆废旧汽车的再循环系统，争取100%的物料再循环。实现零填埋的前提是产品的生态设计。第19页，课件共56页，创作于2023年2月法国雷诺公司汽车产品再循环第20页，课件共56页，创作于2023年2月地毯业界的改革先锋Interface公司传统方式：老式单色宽幅地毯每10年更换1次关闭办公室移动家具废弃旧地毯使用有浓味的地毯胶办公室恢复原状垃圾场中已有超过50亿磅的Interface废弃地毯改革经营模式：以租代卖每月为客户检查一次利用一个晚上的时间，调换10~20%磨损面积达80~90%的地毯改用块状形式铺放，少用胶或不用胶改进地毯设计：分为可分离的面层和衬底

第21页，课件共56页，创作于2023年2月开发新材料：Solenium减轻重量35%提高耐磨性4倍耐脏、易清洗、不发霉易于再循环惊人的效果单位服务成本降为原先的1/7非物质化达到30倍的效率制造成本降低，利润大幅度增加增加了就业

公司的最终目标：不再使用一滴石油第22页，课件共56页，创作于2023年2月2.生态设计分类与方法

从时间轴向分类:

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:1)材料设计;2)功能设计;3)外观设计。

根据设计要求不同分类：1)现有材料生态化的再设计；

2)新型生态材料的生态设计。第23页，课件共56页，创作于2023年2月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。

(1)系统设计：要求设计人员在产品开发设计过程中要有系统的观点,充分掌握设计的全盘性、相互联系及制约的细节。其设计思想是整体性、综合性和最优化,其特点是采用物料和功能循环的思想,扩大了产品的寿命周期,有利于维护生态系统平衡,提高资源效率,减少废弃物数量及处理成本。

(2)模块化设计:是指对一定范围内的不同功能、不同性能、不同规格的产品进行分析,划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以组装成不同产品,以满足市场需求。同时,模块化设计也有利于产品使用后的拆卸,继续利用一些可用的模块。其特点典型地体现在拆卸技术和回收技术等方面。

第24页，课件共56页，创作于2023年2月

(3)公理化设计：利用公理化设计,可以使设计者明晰产品需求、功能需求、设计参数和工艺变量之间的关系。通过对这些变量及其下属子变量的公式化,可以逐步满足最终的设计要求。因此,公理化实际可应用于绿色设计中,以解决产品的多种环境要求。

(4)虚拟拆卸设计：虚拟拆卸采用虚拟制造技术,在虚拟环境中生成产品原型,对各种设计方案进行评估。(5)长寿命设计：按照LCA理论,产品的寿命越长,其环境负荷越小。因此,长寿命设计目前在工业产品设计中也比较流行。特别是对一些影响到人身安全的产品,长寿命设计更是首选的设计原则,以确保产品能够长周期安全地使用。第25页，课件共56页，创作于2023年2月

(6)再生设计：由于材料的生产过程每一步都有大量废弃物产生,因此在材料的环境协调性设计中,一个重要的内容是有关废弃物的再生设计。

材料再生设计的要点一般包括把上一个过程的废弃物作为下一个过程的原料,建立利用废弃物作为资源的观念。在技术可能的条件下,考虑最经济的再生循环利用率。减少一次污染,把污染物尽量在过程内部消化,控制排出循环过程以外的污染物总量。对那些不得不排出循环过程以外的污染物,应设计污染处理流程,对污染物进行治理,努力避免二次污染等。

材料再生设计的内容主要有:对某种废弃物的直接再利用；对某些零部件的回收再利用；将某种废弃物作为原料再利用；有关材料生产过程中的能源回收再利用。第26页，课件共56页，创作于2023年2月3、生态设计的技术与评价

生态设计的技术有：LCA（环境协调性评价）、编目表/产品评价法、DFE-CAD法、MIPS（每单位服务的物质集约度）最小化法、回顾（BackCasting）法、宏观逼近（Macroapproach）法等。

生态设计的评价：

采用环境效率比来评判生态设计的进步程度。因子X是评价产品和整个社会生态设计进步的参数。

采用环境经营进行判定的方法：（接近零排放的程度和逆向工厂）。见书P71第27页，课件共56页，创作于2023年2月四、生态设计的原则和思路1原则①系统分析方法：需要系统考虑和分析产业生态系统、自然生态系统与人类需求之间的关系，尤其是耦合关系。②生命周期角度：只有综合考虑产品生命周期过程的影响，多级使用资源和能源，才能降低产品生产和消费过程的环境影响，使其与地球的环境承载力一致。③多要素分析：生态设计必须同时考虑成本、环境影响和性能等主要因素。④相关者协作：生态设计是基于产品生命周期链的设计方法，在设计过程中，需要各利益相关者共同参与及协作，这些利益相关者包括：生产者、供应商、消费者、废弃物管理者、资源回收者及政策制订者。第28页，课件共56页，创作于2023年2月2、思路①低物质化：指在产业生产过程中，减少物料消耗和降低能量强度的现象，从更广的意义上，低物质化是指提供同样的经济功能的同时相对或绝对地减少物质的量。低物质化应从产品生命周期考虑。如：借助于网络实现无纸化办公、交易等。②物质替代：减少物质使用的一个办法是完全使用新的物质替代旧的物质，新的物质应该具有耐用、在获取和加工过程中产生的废物少等特性。如：聚合材料代替钢材；光纤代替铜质线材等。

第29页，课件共56页，创作于2023年2月③功能经济：“一种产品代表的是向消费者提供特定功能的一种手段”。即产品不是目的，而是服务手段，实际上消费者关心的不是产品，而是产品所提供的功能。这意味着可以引导消费者把注意力从关注产品的特征转向关注产品的服务特征，从而寻求产业生态化的机会和可能。当把产品看成是向最终用户提供的某种功能时，资源的使用量和废物排放量将会大大减少，即人们通过服务来代替那些消耗大量物质和能量的活动时，可以减少对单位生活质量不利的环境影响。如：当人们不买汽车这种产品本身，而只买汽车运送乘客和物品的功能时，汽车制造商将会想方设法延长汽车的使用寿命，并且提高废旧汽车的回收价值，从而减少资源消耗和废物排放。第30页，课件共56页，创作于2023年2月第二节

材料的生态设计一、金属材料生态设计

1、通用合金对金属材料生态设计，主要考虑：

①减少合金元素而保持高性能；

②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；

③再生过程中易于分离和无二次污染。

超级通用合金：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。满足对材料要求的通用特性,超级通用合金一般是固溶体合金。

(1)Fe-Cr-Ni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,其组织和性能可以在很大范围内发生变化。第31页，课件共56页，创作于2023年2月

(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。钛合金依合金元素的种类和加入量不同,可以分别获得α钛合金、α+β钛合金和β钛合金。其中α钛合金具有良好的耐热性和焊接性能,α+β钛合金具有良好的综合力学性能和塑性加工性能,β钛合金则具有高强度和优良的冷成形性能。此外,在Ti-Al系中出现的Ti3Al、TiAl、Al3Ti在近年来成为高温合金的研究热点。因此，钛合金的性能随成分不同可在很大范围内变化,且可通过合金成分来预测合金的组织与性能。

(3)Cr-Mo钢：Cr-Mo钢的高温蠕变强度及其影响因素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,可以通过优化合金成分,在保证合金元素在基体中必需的固溶量的前提下,尽可能减少合金元素的总加入量。这种合金成分设计方法既保证了耐热钢的持久蠕变强度,又节约了合金元素,减小了合金生产过程中的环境负荷。第32页，课件共56页，创作于2023年2月

简单合金：指组元组成简单的合金系。

简单合金在成分设计上的特点:

①合金组元、规格简单,再生循环过程中易于分选；

②原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素；

③尽量不使用环境协调性不好的合金元素。

研制简单合金时的原则:

①在维持合金高性能的前提下,尽量减少合金组元数；

②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。

与超级通用合金的用途不同,简单合金的主要用途是代替大量消费的金属结构材料。如不含对人体及生态环境有害、不含枯竭性元素的低合金钢Fe-C-Si-Mn系。2、简单合金第33页，课件共56页，创作于2023年2月

对现代材料进行环境协调性设计,需要考虑的主要因素：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（环境协调性）。

3)功能兼容,多功能性（舒适性）。

对于复合型材料而言,从易于循环再生的观点看,要求建立三个基本概念:

①用单一组分代替多相组分；②废弃后易于分解或降解；③可多次重复循环使用。要在同一材料上使难以兼容的性能共存,只有采用“复合化”设计才能实现。环境材料学提出了“可再生循环复合”这一概念。如双相钢,纤维增强Fe-Fe复合材料等。3、金属复合材料第34页，课件共56页，创作于2023年2月

材料可循环再生设计是在设计阶段就充分考虑材料的循环再生性,金属材料可循环再生设计是通过加入最少的元素、循环容许的元素,或通过固溶强化、微细化强化、加工强化、相变组织强化等保障材料性能,使材料可以循环再生。

表

4·1SCIFER纤维增强Fe-Fe复合材料与其他材料的比较项目Fe-Fe复合材料烧结

Fe(1100℃)铝抗拉强度

/MPa300396116材料的直径

/mm32.32851lm长材料的重量/kg25.719.364.1生产的总能耗

/GJ1.5171.6323.862强度/能耗197.76242.6530.044、金属材料的再生循环设计第35页，课件共56页，创作于2023年2月

环境协调性金属合金材料的成分设计原则之一是尽量不使用环境协调性不好的合金化元素。

环境协调性不好的含义: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。合金元素中对人体毒害作用最大的是Cr（以Cr+6离子状态存在时）,其次是As、Pb、Ni、Hg等。含有这些合金元素的材料废弃后,会造成空气、水域和土壤的污染,直接危害人体或者通过生物链对人体造成毒害。因此,在材料设计过程中,就要考虑到废弃材料的最终处理对生态环境的影响。5、合金元素的生态设计

第36页，课件共56页，创作于2023年2月二、无机非金属材料生态设计

1、陶瓷材料的生态设计

传统陶瓷材料韧性差、性脆,在使用过程中易断裂,强度性能差，造成极大浪费。陶瓷环境协调性设计包括长寿命设计、功能设计、节能设计,重点是在使用阶段降低环境负荷。改善陶瓷的生态功能主要从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。影响陶瓷耐高温结构与陶瓷寿命的主要因素是断裂韧度低,陶瓷材料的增韧方法有：

1）相变增韧：2）第二相颗粒增韧：3)晶粒细化（微米、纳米）增韧：4)纤维增韧。

第37页，课件共56页，创作于2023年2月10μm(a)(b)10μmZrB2体积分数对ZrB2/B4C陶瓷复合材料显微组织的影响（烧结工艺为2060℃×30min）（a）含9vol

%ZrB2；（b）含16vol

%ZrB2

第38页，课件共56页，创作于2023年2月(c)(b)(a)(d)不同ZrB2体积分数下ZrB2/B4C陶瓷复合材料的SEM断口形貌（烧结工艺为2060℃×30min）（a）7vol

%；（b）9vol

%；（c）13vol

%；（d）16vol

%第39页，课件共56页，创作于2023年2月硬度压痕硬度压痕裂纹裂纹↑←←(a)(b)←不同ZrB2体积分数下的裂纹形貌（烧结工艺为2060℃×30min）（a）6vol

％；（b）16vol

％材料的断裂韧性值从2.2MPa.m1/2提高到3.1MPa.m1/2第40页，课件共56页，创作于2023年2月

建筑材料在可循环再生设计方面,主要包括: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。

解决建筑材料及其构件的再生循环问题

(1)改变混合结构形式

传统方法：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改进方法：不完全采用现场整体灌筑方式,一半利用工厂生产的预制构件,只将结合部在现场施工。(2)使用高功能性和再生循环性结合的增强材料

利用热塑性树脂、光降解树脂或生物降解树脂以确保再生循环性；适当使用人工轻质骨料,制成轻质、高强度混凝土构件。

2、建筑材料的生态设计

第41页，课件共56页，创作于2023年2月三、有机聚合材料的生态设计

1、材料再生循环法

有机聚合物材料的生态设计,侧重点放在废旧材料的再资源化。因此,有机聚合物材料的生态设计称之为材料的可再生循环设计。

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的方法。考虑到材料的可再生循环性，在材料最初的设计阶段要注重两个因素：一是材料的相容性；二是如何评价回收塑料的老化程度。材料应是以通用树脂为核心的同系树脂（相容性好）、通过改变各种树脂的混合比例开发出能够满足各种性能要求的通用聚合物合金（塑料合金）及其相容剂,如尼龙6/ABS系、聚烃类和PET/ABS系聚合物；评价和掌握材料在使用过程中的老化程度,对于充分利用回收材料有着重大意义。汽车保险杠的再生循环利用。第42页，课件共56页，创作于2023年2月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。将回收废塑料通过水解或解聚,分解成原始材料的单体或低聚物,然后重新合