低碳經(jīng)濟(jì)與材料科技發(fā)展思索

1、低碳經(jīng)濟(jì)與材料科技發(fā)展思索 全球氣候變暖對人類的生存和發(fā)展具有嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，由此提出“低碳經(jīng)濟(jì)”。所謂低碳經(jīng)濟(jì)，是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，1l達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)。低碳經(jīng)濟(jì)實(shí)質(zhì)是能源高效利用、清潔利用和低碳或無碳能源開發(fā)；核心是能源技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新以及人類生存發(fā)展觀念的根本性轉(zhuǎn)變。低碳經(jīng)濟(jì)是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)模式，是人類社會繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進(jìn)步。在談到減排時，不少人首先想到的是可再生資源和清潔能源供應(yīng)，但這是不完全正確的。減排最大的潛力

2、在于人們開發(fā)新材料新技術(shù)，如綠色制造技術(shù)，納米材料和納米技術(shù)，碳捕捉及封存技術(shù)(CCS)，12新型電子信息技術(shù)，新的鋼鐵生產(chǎn)方法，清潔煤技術(shù)等，這些才是人們應(yīng)該廣泛關(guān)注的問題。 一、低碳經(jīng)濟(jì)形勢下國內(nèi)外材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 在低碳經(jīng)濟(jì)形勢下，為爭取其經(jīng)濟(jì)和科技的領(lǐng)先地位，世界各國都十分重視材料科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，把新材料新技術(shù)作為科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，予以重點(diǎn)支持。美國新材料科技戰(zhàn)略目標(biāo)是保持本領(lǐng)域在全球的領(lǐng)導(dǎo)地位，支撐信息技術(shù)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和納米技術(shù)等發(fā)展，滿足能源、信息等重要部門和領(lǐng)域的需求。美國氫燃料研發(fā)主要集中在生產(chǎn)、儲存和氫的配送技術(shù)及驅(qū)動汽車的幾乎無空氣污染物和溫室

3、氣體排放的燃料電池技術(shù)開發(fā)上，研制的高效堆積式多結(jié)砷化鎵太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到31。通過在宇航發(fā)動機(jī)中增加先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，把發(fā)動機(jī)的推重比提高到20，大大降低飛機(jī)的重量，節(jié)約能源。歐盟新材料科技戰(zhàn)略目標(biāo)是，在航空航天材料、電子信息材料等領(lǐng)域競爭領(lǐng)先優(yōu)勢。歐盟科研公司大力發(fā)展光學(xué)材料、磁性材料、燃料電池技術(shù)、納米技術(shù)、超導(dǎo)體、信息存儲技術(shù)、鈦基復(fù)合材料等。通過產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，在新材料制造裝備、加工和應(yīng)用三個方面來發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，并計(jì)劃到2020年溫室效應(yīng)氣體在1990年的基礎(chǔ)上至少減少20。H1日本新材料科技戰(zhàn)略目標(biāo)是保持產(chǎn)品的國際競爭力，注重實(shí)用性，在尖端領(lǐng)域趕超歐美。日本對新材料的研發(fā)與傳

4、統(tǒng)材料的改進(jìn)采取并進(jìn)的策略，注重已有材料性能的提高及回收再生。15在21世紀(jì)新材料發(fā)展規(guī)劃中將研究開發(fā)與資源、環(huán)境協(xié)調(diào)的材料以及減輕環(huán)境污染且有利于再生利用的材料作為主要考核指標(biāo)。通過開發(fā)新的材料科學(xué)技術(shù)以解決資源短缺和環(huán)境污染問題。我國歷來重視材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在各項(xiàng)國家計(jì)劃中都給予了材料領(lǐng)域重點(diǎn)支持，如973、863、科技攻關(guān)計(jì)劃等。在低碳經(jīng)濟(jì)形勢下，我國已形成了比較完善的材料科技體系，在材料領(lǐng)域的研發(fā)方面取得了長足進(jìn)步，某些新材料領(lǐng)域具有明顯的資源優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢，如納米碳管、有機(jī)發(fā)光材料、稀土永磁材料等方面進(jìn)入國際先進(jìn)行列。但我國自主創(chuàng)新能力弱，缺乏有自主知識產(chǎn)權(quán)的新材料產(chǎn)品及技術(shù)，嚴(yán)

5、重阻礙新材料新技術(shù)的研究發(fā)展。因此，我國正通過各方面的不斷努力，改進(jìn)材料的加工制備技術(shù)、工藝及裝備，大踏步向低碳經(jīng)濟(jì)邁進(jìn)。 二、低碳經(jīng)濟(jì)對新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求 展望世界經(jīng)濟(jì)的未來，低碳經(jīng)濟(jì)要帶動實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，必須借助新材料新技術(shù)的支撐。低碳經(jīng)濟(jì)對新材料產(chǎn)業(yè)提的總體要求是：為推動經(jīng)濟(jì)向低消耗、低碳排放的轉(zhuǎn)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。具體包括： 1產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級。低碳經(jīng)濟(jì)形勢下，根據(jù)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的低碳升級改造和新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，新材料產(chǎn)業(yè)需要加速調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，壓縮初級材料加工：業(yè)產(chǎn)能，推動產(chǎn)業(yè)鏈向精深升級發(fā)展，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和區(qū)域布局。 2技術(shù)創(chuàng)新。制造業(yè)的升級對低碳材料的需求層出不窮，必須通過不斷的技術(shù)

6、創(chuàng)新研發(fā)出新型低碳技術(shù)，搶占技術(shù)主導(dǎo)權(quán)，增加產(chǎn)業(yè)的柔性和生命力，不斷地促進(jìn)新材料新技術(shù)的更新發(fā)展。 3優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)改善生態(tài)環(huán)境。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，逐步降低煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中的比例，提高核能、太陽能和風(fēng)能等清潔、高效、優(yōu)質(zhì)能源的比重，以保證經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。 三、材料科學(xué)技術(shù)在低碳材料領(lǐng)域中的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢 (一)碳纖維復(fù)合材料 碳纖維是先進(jìn)復(fù)合材料中最重要的增強(qiáng)材料，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化要求使碳纖維復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用前景。碳纖維復(fù)合材料以其獨(dú)特、卓越的理化性能廣泛應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天領(lǐng)域。采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造各種宇宙飛行器，71不但推力大、噪音小，而且由于其質(zhì)

7、量較輕，所以動力消耗少，節(jié)省大量燃料。在汽車行業(yè)中，用碳玻璃纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料可以大大減輕車重，降低成本，減少污染。在電子工業(yè)中，研磨碳纖維加入到熱塑性樹脂基體制得導(dǎo)電塑料，可有效地解決抗靜電問題，制成的部件不需要刷導(dǎo)電底漆，可大大降低低本并減少對環(huán)境的污染。 (二)新型信息功能材料 隨著電子技術(shù)飛速發(fā)展，新型信息功能材料正向節(jié)能環(huán)保、智能化方向發(fā)展。電子信息功能材料是以寬禁帶半導(dǎo)體材料、光電子材料、磁性材料和納米材料為主導(dǎo)發(fā)展方向。光電子材料正由體材料向薄層、超薄層和納米結(jié)構(gòu)材料的方向發(fā)展，81美國、日本通過研究一族材料技術(shù)制得了以激光、紅外為主要應(yīng)用背景的新型高性能光電子材料。利用第三代

8、半導(dǎo)體材料制成的高效率白光發(fā)光二極管作為新型高效節(jié)能固體光源，在光顯示、光存儲、光照明：等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。電磁屏蔽材料是一種防止電子污染所必需的防護(hù)性功能材料，是目前高新技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中的新型電子材料，其電磁波的屏蔽性能將隨著我國電子工業(yè)的飛速發(fā)展而日益改善和提高。 (三)節(jié)能建筑材料 低碳經(jīng)濟(jì)中，建筑材料正向輕質(zhì)化、綠色化方向發(fā)展。建筑上常將透明絕熱材料與：外墻復(fù)合成透明隔熱墻，大大減少因?qū)α髟斐傻臒崃繐p失。復(fù)合保溫玻璃具有雙重保溫性能，可保持室溫穩(wěn)定，降低能量的損耗。納米微膠囊相變材料通過相變技術(shù)在恒溫狀態(tài)下進(jìn)行吸熱或放熱，在外界溫度變化時能有效地保持室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性，減少能量的

9、損耗，91達(dá)到建筑節(jié)能的目的。太陽能光電材料是太陽能電池與建筑材料復(fù)合而成的新型建材，太陽能光電屋頂、太陽能電力墻和太陽能光電玻璃不僅能吸收太陽熱能，還能將其轉(zhuǎn)換為電能，支持住宅內(nèi)部用電，甚至還能將多余電力輸入電網(wǎng)。隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展，太陽能光電玻璃有望在十年之內(nèi)成為生態(tài)建筑中的主流玻璃材料。 (四)新型能源材料 隨著人們對環(huán)境問題和能源問題的日益重視，清潔能源已成為一種有市場競爭力的能源形式。氫能源以高效、環(huán)保等優(yōu)勢應(yīng)用于汽車上，但由于制氫和運(yùn)輸困難，尚未獲得大規(guī)模應(yīng)用。生物燃油隨著柴油機(jī)性能的改善，已逐漸貼近了實(shí)際應(yīng)用。鎳氫電池是近年來開發(fā)的一種新型電池，沒有記憶效應(yīng)，沒有環(huán)境污染，廣泛

10、應(yīng)用在電動汽車上。燃料電池具有高的能量轉(zhuǎn)換效率且不污染環(huán)境，廣泛用于通訊、汽車等領(lǐng)域。美國在管型固體氧化物燃料電池(SOFC)研究上處于領(lǐng)先地位，德國SIMENS公司開展了平板型SOFC研究，但由于材料、結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)等問題，SOFC尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。高溫超導(dǎo)材料作為一種新型節(jié)能材料，大幅提高電力生產(chǎn)、傳輸、分配和利用的效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。 四、先進(jìn)低碳技術(shù)促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 當(dāng)今時代，高速發(fā)展的工業(yè)技術(shù)要求加工制造的產(chǎn)品精密化、輕量化、集成化；國際競爭更加激烈的市場要求產(chǎn)品性能高、成本低、周期短；日益惡化的環(huán)境要求材料加工過程中能耗低、碳排放量低。因此，需要探索先進(jìn)材料加工技術(shù)，使材

11、料由單一的傳統(tǒng)型向復(fù)合型、多功能型及低碳型方向發(fā)展。 (一)無模成形技術(shù) 無模成形技術(shù)是一種板料的柔性加工工藝，基本無需模具或只需簡單模具。該技術(shù)成本低，周期短，節(jié)省能源，顯著提高塑性成形的精度和效率，廣泛用于加工小批量多品種產(chǎn)品。在低碳經(jīng)濟(jì)形勢下，一些新型的板料無模成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價值。旋壓是一種典型的連續(xù)局部塑性成形工藝，精度高、柔性好、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動化、節(jié)約材料，是實(shí)現(xiàn)薄壁回轉(zhuǎn)體零件少無切削加工的先進(jìn)制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子、化工等領(lǐng)域，已成為精密塑性成形技術(shù)的重要發(fā)展方向。數(shù)字化漸進(jìn)成形是日本學(xué)者松原茂夫于20世紀(jì)90年代提出的，之后世界各國學(xué)

12、者對該工藝的成形過程、成形機(jī)理、成形性等展開了廣泛的研究并取得突破。金屬板料數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動化，廣泛用于航空航天領(lǐng)域，解決鈦板零件小批量多品種、回彈大和難成形問題。 成形錘漸進(jìn)成形是90年代新興的加工技術(shù)，使用剛性沖頭和彈性下模，對板材各局部區(qū)域分別打擊成形所需形狀的加工工藝。日本靜岡大學(xué)對自由曲面的漸進(jìn)成形工藝、加工路徑、工序控制等方面做了比較系統(tǒng)的研究，但我國尚未展開。成形錘漸進(jìn)成形只是成形形狀比較簡單的工件，而且成形后留下大量的錘擊壓痕點(diǎn)，影響制品的表面質(zhì)量，因而后續(xù)需要進(jìn)一步研究處理。 (二)近凈成形技術(shù) 近凈成形技術(shù)是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機(jī)械構(gòu)

13、件的成形技術(shù)。它改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)，使得成形的機(jī)械構(gòu)件具有精確的外形，高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。近凈成形技術(shù)是目前制造技術(shù)中發(fā)展較快的先進(jìn)技術(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品毛坯成形實(shí)現(xiàn)由粗放到精化的轉(zhuǎn)變，使外部質(zhì)量做到無余量或接近無余量，內(nèi)部質(zhì)量做到無缺陷或接近無缺陷，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高效、輕量化、低成本的加工，021廣泛用于機(jī)械零件制造上。美國、日本等利用氣化模鑄造、樹脂自硬砂組芯造型等近凈成形技術(shù)加工制造汽車模具、飛機(jī)用高強(qiáng)超硬鋁合金及鋁鋰合金零部件等，取得了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，如汽車缸體鑄件已經(jīng)做到壁厚在3mm4mm。計(jì)算機(jī)的發(fā)展、非線性問題計(jì)算方法的改進(jìn)，推動了非線性有限元等技術(shù)發(fā)展，近

14、凈成形正向虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造方向發(fā)展，并且將由宏觀模擬進(jìn)一步向微觀的組織模擬和質(zhì)量預(yù)測方向發(fā)展。近凈成形技術(shù)改善了生產(chǎn)條件，減少對環(huán)境的污染，成為一種清潔的綠色生產(chǎn)技術(shù)，為可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。 (三)內(nèi)高壓成形技術(shù) 目前，減輕重量以節(jié)約能耗、降低排放是航空航天領(lǐng)域及汽車工業(yè)應(yīng)對全球能源危機(jī)和環(huán)保壓力的主要措施。采用輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的主要手段，而內(nèi)高壓成形是生產(chǎn)輕質(zhì)復(fù)雜零件的理想方法。內(nèi)高壓成形也稱為液壓成形工藝，以管材作坯料，通過管材內(nèi)部施加高壓液體和軸向進(jìn)給把管材壓入到模具型腔使其成形為所需形狀的工件。美國TAltan教授主要進(jìn)行管材液壓成形性能、成形加載路徑，有限元自適應(yīng)仿真方

15、面的研究。日本主要研究成形工藝參數(shù)和設(shè)備性能，極大的提高了管材成形極限。在這方面我國研究起步較晚，用液壓成形工藝制造汽車、飛機(jī)等機(jī)械零件尚處于起步階段。內(nèi)高壓成形工藝是一種先進(jìn)的柔性加工技術(shù)，用來整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，成形精度高、制造柔性化、節(jié)省能源、降低材料消耗、節(jié)約成本，有著廣泛的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿?。鋁合金、鎂合金、鈦合金室溫下成形性差，采用常溫液壓成形方法很難成形復(fù)雜零件，這時常采用熱介質(zhì)成形，即將管材、模具和液體介質(zhì)加熱到一定溫度而成形的空心變截面零件，可顯著提高管材內(nèi)壓成形極限、增加零件復(fù)雜程度，廣泛用于航空航天以及汽車領(lǐng)域。根據(jù)目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，內(nèi)高壓成形正

16、向著雙層管的液壓成形、拼焊管液壓成形和熱態(tài)介質(zhì)內(nèi)高壓成形方向發(fā)展。 (四)綠色制造技術(shù) 綠色制造技術(shù)是在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的新型制造模式。綠色制造可最大限度地提高資源利用率，減少資源消耗，降低成本，減少或消除環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。少無切削加工技術(shù)是一種精密成形加工方法，可以大大減少機(jī)械加工余量，節(jié)省能量，目前在機(jī)械加工中廣為使用?？焖僭椭圃旒夹g(shù)則是綜合利用激光技術(shù)、CAD技術(shù)和數(shù)控技術(shù)而形成的少無切削加工的高新技術(shù)，節(jié)約資源，減少加工廢棄物，是很有發(fā)展前途的綠色制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于模具制造、產(chǎn)品開發(fā)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。超高速加工技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種集高效、優(yōu)質(zhì)和低耗于一身的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。該技術(shù)既可保證加工質(zhì)量和提高加工效率，又能降低能源消耗，減少碳的排放，是綠色制造技術(shù)未來的發(fā)展方向。虛擬制造技術(shù)(VMT)是以信息集成為基礎(chǔ)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評價，從而節(jié)省能源和原材料，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本。該技術(shù)應(yīng)