第五章 材料和產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)

1、第五章第五章 材料和產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)材料和產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)2內(nèi)內(nèi) 容容5.1 生態(tài)設(shè)計(jì)概念5.2 材料的生態(tài)設(shè)計(jì)5.3 生態(tài)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原則與方法5.4 工業(yè)生態(tài)學(xué)3人類現(xiàn)已使用了三分之一以上的自然資源或自然恩惠。引起資源枯竭的原因，除大量開采、無限度使用外，資源的回收利用率低是另一重要原因。隨著人們對(duì)地球環(huán)境意識(shí)的提高，現(xiàn)在的工廠防止公害的措施已由排放口處理或控制，轉(zhuǎn)到污染源頭的控制。 4表5-1 幾類機(jī)電產(chǎn)品中所含的稀有金屬表5-2 某些重要金屬的全球儲(chǔ)藏量5 提高環(huán)境效益的策略有以下3條：防止污染、廢棄物減量、綠色生產(chǎn)、綠色技術(shù)；生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)；再利用與再生（循環(huán)式）。有研究者認(rèn)為，生態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)包

2、括和兩條。6圖5-1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)內(nèi)容及目標(biāo)示意圖75.1 生態(tài)設(shè)計(jì)概論生態(tài)設(shè)計(jì)概論一、生態(tài)設(shè)計(jì)的基本概念 生態(tài)設(shè)計(jì)（Eco-design，ED）是指在材料和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中將保護(hù)生態(tài)、人類健康和安全的意識(shí)有機(jī)地融入其中的設(shè)計(jì)方法，故又稱為生命周期工程設(shè)計(jì)（Life Cycle Engineering Design，LCED）、綠色設(shè)計(jì)（Green Design，CD），或?yàn)榄h(huán)境而設(shè)計(jì)（Design for Environment，DFE）。 8 生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要考慮生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要考慮4 4個(gè)要素，即個(gè)要素，即先進(jìn)性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)性和舒適性。經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)性和舒適性。 先進(jìn)性：先進(jìn)性：是指要充

3、分發(fā)揮材料的優(yōu)異性能，是指要充分發(fā)揮材料的優(yōu)異性能，滿足各行各業(yè)對(duì)材料產(chǎn)品的要求；滿足各行各業(yè)對(duì)材料產(chǎn)品的要求； 經(jīng)濟(jì)性：經(jīng)濟(jì)性：即考慮材料產(chǎn)品的成本，能夠保即考慮材料產(chǎn)品的成本，能夠保證制造商的利潤(rùn)，維持經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)；證制造商的利潤(rùn)，維持經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)； 協(xié)調(diào)性：協(xié)調(diào)性：就是要保證在材料的生產(chǎn)和使用就是要保證在材料的生產(chǎn)和使用過程中與環(huán)境盡可能協(xié)調(diào)，維持生物圈循環(huán)過過程中與環(huán)境盡可能協(xié)調(diào)，維持生物圈循環(huán)過程的平衡；程的平衡； 舒適性：舒適性：是指材料產(chǎn)品能夠提高生活質(zhì)量，是指材料產(chǎn)品能夠提高生活質(zhì)量，使人類生活環(huán)境更加舒適。使人類生活環(huán)境更加舒適。9 生態(tài)設(shè)計(jì)是面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，是“

4、從搖籃到再生”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是從根本上防止環(huán)境污染、節(jié)約資源和能源的一種重要的系統(tǒng)過程。 10二、生態(tài)設(shè)計(jì)的基本原則 生態(tài)設(shè)計(jì)就是“設(shè)計(jì)+LCA” 圖5-3 生態(tài)設(shè)計(jì)的概念11生態(tài)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的綜合價(jià)值指標(biāo) ICPIPPerformanceCostImpact排除C環(huán)境效率排除ICP性能最好，成本最低12 產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就要充分兼顧其性能、質(zhì)量、成本與環(huán)境協(xié)調(diào)性1設(shè)計(jì)要點(diǎn) 生態(tài)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則與目標(biāo)是：（1）減少拆卸工作量 （2）可預(yù)見性 （3）易于處理 （4）易于分離 （5）減少多樣性 13 產(chǎn)品設(shè)計(jì)總的要求是統(tǒng)一化、簡(jiǎn)化、省能、協(xié)調(diào)化，使產(chǎn)品低熵化，縮小不可逆過程，改進(jìn)無序狀態(tài)。具體要求如下： （1）選擇

5、對(duì)環(huán)境影響小的原材料 （2）部件：產(chǎn)品是由相同或不同材質(zhì)的部件組成 （3）產(chǎn)品：不同產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)要求側(cè)重不同 142生態(tài)設(shè)計(jì)方法與過程從時(shí)間軸向分類如下：1）初步設(shè)計(jì)（概念設(shè)計(jì)）。2）詳細(xì)設(shè)計(jì)（基本設(shè)計(jì)）。3）生產(chǎn)設(shè)計(jì)。從空間軸向分類如下：1）材料設(shè)計(jì)。2）功能設(shè)計(jì)。3）外觀設(shè)計(jì)。15根據(jù)不同要求，生態(tài)設(shè)計(jì)有兩種類型： （1）現(xiàn)有材料生態(tài)化的再設(shè)計(jì) （2）新型生態(tài)材料的生態(tài)設(shè)計(jì) 生態(tài)設(shè)計(jì)方法主要有系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、公理化設(shè)計(jì)、虛擬拆卸設(shè)計(jì)、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)及再生設(shè)計(jì)等 16 從生產(chǎn)和使用的角度看，有關(guān)材料再生設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有四個(gè)方面：一是對(duì)某種廢棄物的直接再利用；二是對(duì)某些零部件的回收再利用；

6、三是將某種廢棄物作為原料再利用；四是有關(guān)材料生產(chǎn)過程中的能源回收再利用。17一、金屬材料生態(tài)設(shè)計(jì) 要求建立3個(gè)基本概念：減少合金元素而保持高性能；以調(diào)整顯微組織作為加入合金元素的替代方法來獲得所需性能；再生過程中易于分離和無二次污染。18合金系中組元越少，合金的再生循環(huán)性能越好 超級(jí)通用合金和簡(jiǎn)單合金的概念就是使用合金元素種類最少，且能滿足各種用途要求的標(biāo)準(zhǔn)合金系 組元組成簡(jiǎn)單的合金系 固溶體合金一、金屬材料生態(tài)設(shè)計(jì)19 可通過改變成分配比在大范圍內(nèi)改變性能的合金系主要有以下幾種： （1）FeCrNi鋼 通過改變Fe、Cr和Ni的相對(duì)含量，可以生產(chǎn)出從鐵素體鋼到不銹鋼的一系列鋼種，其組織和性能

7、可以在很大范圍內(nèi)發(fā)生變化。（2）Ti合金 改變Ti、Al和V的相對(duì)含量，可使合金的組織與性能發(fā)生很大的變化 （3）Cr-Mo鋼 高溫蠕變強(qiáng)度主要和鐵素體基體中的置換溶質(zhì)元素Cr、Mo的固溶量成正比，與碳的固溶度成反比。而碳化物的沉淀強(qiáng)化作用與置換元素的固溶強(qiáng)化作用相比，對(duì)整個(gè)斷裂壽命的影響很小。20簡(jiǎn)單合金在成分設(shè)計(jì)上應(yīng)有以下特點(diǎn)：簡(jiǎn)單合金在成分設(shè)計(jì)上應(yīng)有以下特點(diǎn)： 合金組元、規(guī)格簡(jiǎn)單，再生循環(huán)過程合金組元、規(guī)格簡(jiǎn)單，再生循環(huán)過程中易于分選；中易于分選； 原則上不添加現(xiàn)在尚不能精煉脫除的原則上不添加現(xiàn)在尚不能精煉脫除的元素。元素。 盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的合金元盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的合金

8、元素。素。21研制簡(jiǎn)單合金時(shí)應(yīng)遵循以下兩原則：研制簡(jiǎn)單合金時(shí)應(yīng)遵循以下兩原則：在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數(shù)；組元數(shù)；獲取合金高性能時(shí)，以控制顯微組織作為加獲取合金高性能時(shí)，以控制顯微組織作為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系低合金鋼可以獲得在大范圍內(nèi)變系低合金鋼可以獲得在大范圍內(nèi)變化的力學(xué)性能，從而滿足不同用途時(shí)的材料性化的力學(xué)性能，從而滿足不同用途時(shí)的材料性能要求。能要求。 22現(xiàn)代材料進(jìn)行環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)，一般包括：1）強(qiáng)度（也包括疲勞強(qiáng)度等），韌性，高比強(qiáng)度（先進(jìn)性）。2）簡(jiǎn)單組成，易解體結(jié)構(gòu)（環(huán)境協(xié)調(diào)

9、性）。3）功能兼容，多功能性（舒適性）。231）鋼鐵的雜質(zhì)分離技術(shù)和雜質(zhì)無害化技術(shù) 鋼材種類十分繁雜，含有多種合金元素（如Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、V、Ti、Zr等）。大量金屬制品還含有金屬涂層（如Sn、Zn）和非金屬涂層（如油漆、塑料等），加上回收過程中不可避免地混入的其他材料，使得回收廢鋼鐵化學(xué)成分復(fù)雜、品質(zhì)低劣，用來生產(chǎn)新材料必然導(dǎo)致材料性能的劣化。 24 鋼中雜質(zhì)元素的去除主要是通過氧化反應(yīng)進(jìn)行。這就是說與氧的親和力比鐵大的元素幾乎都可以從鋼水中除去，而比鐵更難以氧化的元素則幾乎全部殘存于鋼水中。因此，廢鋼中的雜質(zhì)（合金）元素可以分為以下幾種類型：幾乎全部殘存于鋼水中的元素，

10、如Cu、Ni、Sn、Mo、Co、W、As、Sb；不能完全除去的元素，如Cr、Mn、P、S；從鋼水中幾乎可以全部除去的元素，如Si、Al、V、Zr、B等。25應(yīng)該大力研究和開發(fā)以下冶金技術(shù)：針對(duì)含有不能去除元素廢鋼的煉鋼技術(shù)和精煉技術(shù)再生循環(huán)鋼中雜質(zhì)無害化技術(shù)鋼材的可再生循環(huán)設(shè)計(jì)技術(shù)廢鋼鐵再生循環(huán)過程中的分離與分選技術(shù)262）鋁材的雜質(zhì)分離技術(shù)和雜質(zhì)無害化技術(shù) 鋁及鋁合金是產(chǎn)品和消費(fèi)量?jī)H次于鋼鐵的金屬材料。 鋁材又是生產(chǎn)過程中環(huán)境負(fù)荷最大的金屬材料之一。 使用再生鋁的最大障礙是再生鋁的性能較差。 廢鋁中的有害雜質(zhì)通常為Fe、Cu、Zn、Ni、Ti等，其中鐵是最重要的有害元素。 目前在Al-Si合

11、金中進(jìn)行的雜質(zhì)無害化技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在以下兩方面： 第一，改善含鐵雜質(zhì)再生鋁合金的力學(xué)性能。 第二，改善含鐵雜質(zhì)鋁合金的耐腐蝕性能。 273）銅再生循環(huán)的現(xiàn)狀 銅產(chǎn)量的40%用于制造電線。電線采用燒線處理法、解體處理法、粉碎處理法對(duì)涂層材料和銅導(dǎo)體進(jìn)行分離分選，銅經(jīng)壓塊或破碎后被再生利用。 用于電線制造的廢銅比率約為10%，這是因?yàn)殡娋€需具備高電導(dǎo)率及熱處理后具有穩(wěn)定的特性，必須使用高純廢銅才行，因此大部分回收電線被用作黃銅合金的原料或冶煉銅錠的原料。正確掌握廢電線的再生率是困難的，電力、通信行業(yè)的廢電線比較集中，再生率比較高，而家電、汽車等使用的銅的回收率則是一個(gè)較難的課題。 28環(huán)境協(xié)調(diào)

12、性金屬材料設(shè)計(jì)的其他范例環(huán)境協(xié)調(diào)性不好有雙重含義：一是指地殼中蘊(yùn)藏量不大的枯竭性元素；二是指對(duì)生態(tài)環(huán)境特別是對(duì)人體有較大毒害作用的元素。 2930含Pb37%的Sn-Pb合金是傳統(tǒng)的釬焊合金，具有良好的金屬濕潤(rùn)性、低熔點(diǎn)和可靠的焊接質(zhì)量 313233341陶瓷材料的生態(tài)設(shè)計(jì)改善陶瓷的生態(tài)功能需要從兩個(gè)方面入手：1）調(diào)節(jié)材料的組成，使不同相在微觀級(jí)復(fù)合，形成不同性質(zhì)的晶界面等。2）改變工藝條件，包括原料物化性能和狀態(tài)、加工成形、燒結(jié)狀態(tài)和成品加工條件等。35 通過控制陶瓷多晶體界面的結(jié)合力來提高斷裂韌度。采用的微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可舉例如下：1）通過相變?cè)鲰g二氧化鋯陶瓷2）使長(zhǎng)柱狀氮化硅晶粒在氮化硅基

13、體長(zhǎng)大的自生復(fù)合陶瓷3）納米復(fù)合陶瓷材料是在陶瓷基體中引入納米分散相并進(jìn)行復(fù)合4）在陶瓷基體中加入耐高溫纖維形成強(qiáng)化復(fù)合陶瓷。362. 建筑材料的生態(tài)設(shè)計(jì) 建筑材料在可循環(huán)再生設(shè)計(jì)方面，主要包括如下幾點(diǎn)：1）減少使用材料，以最少的材料達(dá)到對(duì)性能和功能的要求。2）材料再使用要求可拆卸，可修復(fù)使用。3）循環(huán)使用可拆卸，可降級(jí)使用。37 在環(huán)境材料研究進(jìn)展中，作為建筑領(lǐng)域固有的建筑材料及其構(gòu)件的再生循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)，下述方法將具有確定的重要地位：（1）混合結(jié)構(gòu)形式 鋼筋混凝土建筑物采取柱、梁和墻壁在現(xiàn)場(chǎng)整體混凝土灌筑方式。 （2）高功能性和再生循環(huán)性結(jié)合的增強(qiáng)材料及其應(yīng)用與地球環(huán)境相協(xié)調(diào)并具有良好再生

14、循環(huán)性的混凝土構(gòu)件應(yīng)該是既具有長(zhǎng)的使用壽命，又能在解體后容易再生循環(huán)的構(gòu)件。 381材料再生循環(huán)法 材料再生循環(huán)法的思路是在塑料功能喪失之前，將廢塑料作為原料多次再生循環(huán)使用。 經(jīng)材料再生循環(huán)法制成的再生塑料，存在一個(gè)降低使用的問題。 考慮兩點(diǎn)：一是材料的相容性；二是如何評(píng)價(jià)回收塑料的老化程度。2化學(xué)再生循環(huán)法 化學(xué)再生循環(huán)法的基本思路是將回收廢塑料作為資源，以石油或單體形式利用。 39四、復(fù)合材料的生態(tài)設(shè)計(jì)1復(fù)合材料生態(tài)設(shè)計(jì)原則 一般來說，使復(fù)合材料分解比制造時(shí)的成本和使用階段的能源還高。 21世紀(jì)的材料應(yīng)當(dāng)是有自修復(fù)性、自分解性、自組織化功能等的智能材料。 復(fù)合材料多功能化是設(shè)計(jì)的一個(gè)方向

15、。 402. 有機(jī)復(fù)合材料的可再生循環(huán)設(shè)計(jì) 玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）。 413. 塑料合金的研究 將兩種以上的聚合物復(fù)合，做成具有新功能的材料即所謂塑料合金。 424熱塑性彈性體 熱塑性彈性體是兼?zhèn)湎鹉z與熱塑性塑料成形性的新材料 43 模塊化設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)只考慮一種型號(hào)或一模塊化設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)只考慮一種型號(hào)或一代產(chǎn)品的部件模塊化，而應(yīng)考慮到整個(gè)產(chǎn)品代產(chǎn)品的部件模塊化，而應(yīng)考慮到整個(gè)產(chǎn)品系列中各代產(chǎn)品零部件的模塊化和通用性。系列中各代產(chǎn)品零部件的模塊化和通用性。 產(chǎn)品在其技術(shù)壽命完成后，要經(jīng)歷拆卸產(chǎn)品在其技術(shù)壽命完成后，要經(jīng)歷拆卸和再生循環(huán)過程，在再生循環(huán)過程中生產(chǎn)出和再

16、生循環(huán)過程，在再生循環(huán)過程中生產(chǎn)出來的材料和再利用的零部件一道返回制造廠來的材料和再利用的零部件一道返回制造廠重新生產(chǎn)新產(chǎn)品重新生產(chǎn)新產(chǎn)品 。44可再生循環(huán)設(shè)計(jì)中應(yīng)首先建立以下概念可再生循環(huán)設(shè)計(jì)中應(yīng)首先建立以下概念 規(guī)定產(chǎn)品系列和產(chǎn)品代的淘汰標(biāo)準(zhǔn)；規(guī)定產(chǎn)品系列和產(chǎn)品代的淘汰標(biāo)準(zhǔn)；建立評(píng)價(jià)再生循環(huán)和再利用方法的量度；建立評(píng)價(jià)再生循環(huán)和再利用方法的量度；建立促進(jìn)有效的再生循環(huán)和再利用的體系。建立促進(jìn)有效的再生循環(huán)和再利用的體系。45產(chǎn)品拆卸分解過程復(fù)雜程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)： 種類復(fù)雜性，產(chǎn)品系列中零件的通用度。 材料復(fù)雜性，在一種產(chǎn)品中使用的材料種類數(shù)。 分類復(fù)雜性，拆卸過程樹狀圖中的“級(jí)數(shù)”和“群數(shù)”

17、。 分類倉4647 為了有效地建立可再生循環(huán)性圖，必須建立材料的可再生循環(huán)性數(shù)據(jù)庫，或者至少提供一種能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料廢棄率的方法。此外，下列因素也很重要：再利用和再加工后的模塊化組件的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；材料的兼容性（粉碎后作為混合材料的易分離性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值）；經(jīng)再生循環(huán)后再生材料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 481工業(yè)生態(tài)學(xué)原理 在環(huán)境材料學(xué)科里，材料的可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)努力的目標(biāo)，而工業(yè)生態(tài)學(xué)為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)提供了一種手段。 工業(yè)生態(tài)學(xué)是為解決現(xiàn)存的一些工業(yè)過程與可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)之間的矛盾而提出的工業(yè)代謝理論。一般認(rèn)為工業(yè)生態(tài)學(xué)是一種提高資源效率和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)的系統(tǒng)原理。這種系統(tǒng)原理旨在通過連續(xù)不斷的技術(shù)、文化和經(jīng)濟(jì)的

18、革新和進(jìn)化，為人類社會(huì)保持一個(gè)可持續(xù)的生存環(huán)境提供一種優(yōu)化的手段。 49 工業(yè)生態(tài)學(xué)目標(biāo)是通過分析自然界的生物循環(huán)系統(tǒng)，將生物圈的循環(huán)原理用于工業(yè)過程，把現(xiàn)有工業(yè)體系通過工業(yè)生態(tài)學(xué)的途徑，轉(zhuǎn)化為可持續(xù)發(fā)展的體系，最終實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。505152 工業(yè)生態(tài)學(xué)倡導(dǎo)現(xiàn)代工業(yè)體系應(yīng)向三級(jí)生工業(yè)生態(tài)學(xué)倡導(dǎo)現(xiàn)代工業(yè)體系應(yīng)向三級(jí)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換稱作工業(yè)過程的生態(tài)結(jié)態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換稱作工業(yè)過程的生態(tài)結(jié)構(gòu)重組。轉(zhuǎn)換包括構(gòu)重組。轉(zhuǎn)換包括3 3個(gè)層次：個(gè)層次：宏觀層次宏觀層次是改善整體經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)和能源效率；是改善整體經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)和能源效率；中間層次中間層次是重新審視產(chǎn)品與制造過程，減少廢是重新審視產(chǎn)品與制造過程，減少廢物的排放量；物的排放量；微觀層次微觀層次是設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)潔的工藝，優(yōu)化工藝過程，是設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)潔的工藝，優(yōu)化工藝過程，提高生產(chǎn)效率。提高生產(chǎn)效率。53轉(zhuǎn)換的戰(zhàn)略包括轉(zhuǎn)換的戰(zhàn)略包