第五章 材料和產(chǎn)品的生態(tài)設計

章材料和產(chǎn)品的生態(tài)設計

2021/6/271內(nèi)容5.1生態(tài)設計概念5.2材料的生態(tài)設計5.3生態(tài)產(chǎn)品的設計原則與方法5.4工業(yè)生態(tài)學2021/6/272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。隨著人們對地球環(huán)境意識的提高，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。2021/6/273表5-1幾類機電產(chǎn)品中所含的稀有金屬表5-2某些重要金屬的全球儲藏量2021/6/274

提高環(huán)境效益的策略有以下3條：①防止污染、廢棄物減量、綠色生產(chǎn)、綠色技術；②生態(tài)環(huán)境設計；③再利用與再生（循環(huán)式）。有研究者認為，生態(tài)設計應包括①和③兩條。2021/6/275圖5-1現(xiàn)代設計內(nèi)容及目標示意圖2021/6/2765.1生態(tài)設計概論一、生態(tài)設計的基本概念生態(tài)設計（Eco-design，ED）是指在材料和產(chǎn)品的設計中將保護生態(tài)、人類健康和安全的意識有機地融入其中的設計方法，故又稱為生命周期工程設計（LifeCycleEngineeringDesign，LCED）、綠色設計（GreenDesign，CD），或為環(huán)境而設計（DesignforEnvironment，DFE）。2021/6/277

生態(tài)設計目標主要考慮4個要素，即先進性、經(jīng)濟性、協(xié)調(diào)性和舒適性。★先進性：是指要充分發(fā)揮材料的優(yōu)異性能，滿足各行各業(yè)對材料產(chǎn)品的要求；★經(jīng)濟性：即考慮材料產(chǎn)品的成本，能夠保證制造商的利潤，維持經(jīng)濟活動的運轉(zhuǎn)；★協(xié)調(diào)性：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)過程的平衡；★舒適性：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。2021/6/278

生態(tài)設計是面向產(chǎn)品的整個生命周期，是“從搖籃到再生”的系統(tǒng)設計，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。2021/6/279二、生態(tài)設計的基本原則生態(tài)設計就是“設計+LCA”圖5-3生態(tài)設計的概念2021/6/2710生態(tài)設計產(chǎn)品的綜合價值指標PerformanceCostImpact排除C環(huán)境效率排除I性能最好，成本最低2021/6/2711三、生態(tài)設計方法

產(chǎn)品設計時就要充分兼顧其性能、質(zhì)量、成本與環(huán)境協(xié)調(diào)性1．設計要點生態(tài)設計的準則與目標是：（1）減少拆卸工作量（2）可預見性（3）易于處理（4）易于分離（5）減少多樣性2021/6/2712

產(chǎn)品設計總的要求是統(tǒng)一化、簡化、省能、協(xié)調(diào)化，使產(chǎn)品低熵化，縮小不可逆過程，改進無序狀態(tài)。具體要求如下：（1）選擇對環(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)設計要求側重不同

2021/6/27132．生態(tài)設計方法與過程從時間軸向分類如下：1）初步設計（概念設計）。2）詳細設計（基本設計）。3）生產(chǎn)設計。從空間軸向分類如下：1）材料設計。2）功能設計。3）外觀設計。2021/6/2714根據(jù)不同要求，生態(tài)設計有兩種類型：（1）現(xiàn)有材料生態(tài)化的再設計（2）新型生態(tài)材料的生態(tài)設計

生態(tài)設計方法主要有系統(tǒng)設計、模塊化設計、公理化設計、虛擬拆卸設計、長壽命設計及再生設計等2021/6/2715

從生產(chǎn)和使用的角度看，有關材料再生設計的內(nèi)容主要有四個方面：一是對某種廢棄物的直接再利用；二是對某些零部件的回收再利用；三是將某種廢棄物作為原料再利用；四是有關材料生產(chǎn)過程中的能源回收再利用。2021/6/27164.2材料的生態(tài)設計一、金屬材料生態(tài)設計要求建立3個基本概念：①減少合金元素而保持高性能；②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；③再生過程中易于分離和無二次污染。2021/6/2717合金系中組元越少，合金的再生循環(huán)性能越好

超級通用合金和簡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準合金系組元組成簡單的合金系

固溶體合金一、金屬材料生態(tài)設計2021/6/2718

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）Fe～Cr－Ni鋼通過改變Fe、Cr和Ni的相對含量，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。而碳化物的沉淀強化作用與置換元素的固溶強化作用相比，對整個斷裂壽命的影響很小。2021/6/2719簡單合金在成分設計上應有以下特點：①合金組元、規(guī)格簡單，再生循環(huán)過程中易于分選；②原則上不添加現(xiàn)在尚不能精煉脫除的元素。③盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的合金元素。2021/6/2720研制簡單合金時應遵循以下兩原則：①在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數(shù)；②獲取合金高性能時，以控制顯微組織作為加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)變化的力學性能，從而滿足不同用途時的材料性能要求。2021/6/2721現(xiàn)代材料進行環(huán)境協(xié)調(diào)性設計，一般包括：1）強度（也包括疲勞強度等），韌性，高比強度（先進性）。2）簡單組成，易解體結構（環(huán)境協(xié)調(diào)性）。3）功能兼容，多功能性（舒適性）。2021/6/2722材料再生循環(huán)過程中的雜質(zhì)分離技術和雜質(zhì)無害化技術

1）鋼鐵的雜質(zhì)分離技術和雜質(zhì)無害化技術鋼材種類十分繁雜，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成分復雜、品質(zhì)低劣，用來生產(chǎn)新材料必然導致材料性能的劣化。2021/6/2723

鋼中雜質(zhì)元素的去除主要是通過氧化反應進行。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：①幾乎全部殘存于鋼水中的元素，如Cu、Ni、Sn、Mo、Co、W、As、Sb；②不能完全除去的元素，如Cr、Mn、P、S；③從鋼水中幾乎可以全部除去的元素，如Si、Al、V、Zr、B等。2021/6/2724應該大力研究和開發(fā)以下冶金技術：①針對含有不能去除元素廢鋼的煉鋼技術和精煉技術②再生循環(huán)鋼中雜質(zhì)無害化技術③鋼材的可再生循環(huán)設計技術④廢鋼鐵再生循環(huán)過程中的分離與分選技術2021/6/27252）鋁材的雜質(zhì)分離技術和雜質(zhì)無害化技術鋁及鋁合金是產(chǎn)品和消費量僅次于鋼鐵的金屬材料。鋁材又是生產(chǎn)過程中環(huán)境負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合金中進行的雜質(zhì)無害化技術的研究主要表現(xiàn)在以下兩方面：第一，改善含鐵雜質(zhì)再生鋁合金的力學性能。第二，改善含鐵雜質(zhì)鋁合金的耐腐蝕性能。2021/6/27263）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、粉碎處理法對涂層材料和銅導體進行分離分選，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%，這是因為電線需具備高電導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較難的課題。2021/6/2727環(huán)境協(xié)調(diào)性金屬材料設計的其他范例環(huán)境協(xié)調(diào)性不好有雙重含義：一是指地殼中蘊藏量不大的枯竭性元素；二是指對生態(tài)環(huán)境特別是對人體有較大毒害作用的元素。2021/6/27282021/6/2729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性、低熔點和可靠的焊接質(zhì)量

2021/6/27302021/6/27312021/6/27322021/6/2733二、無機非金屬材料生態(tài)設計1．陶瓷材料的生態(tài)設計改善陶瓷的生態(tài)功能需要從兩個方面入手：1）調(diào)節(jié)材料的組成，使不同相在微觀級復合，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、燒結狀態(tài)和成品加工條件等。2021/6/2734

通過控制陶瓷多晶體界面的結合力來提高斷裂韌度。采用的微結構控制技術可舉例如下：1）通過相變增韌二氧化鋯陶瓷2）使長柱狀β氮化硅晶粒在氮化硅基體長大的自生復合陶瓷3）納米復合陶瓷材料是在陶瓷基體中引入納米分散相并進行復合4）在陶瓷基體中加入耐高溫纖維形成強化復合陶瓷。2021/6/27352.建筑材料的生態(tài)設計建筑材料在可循環(huán)再生設計方面，主要包括如下幾點：1）減少使用材料，以最少的材料達到對性能和功能的要求。2）材料再使用要求可拆卸，可修復使用。3）循環(huán)使用可拆卸，可降級使用。2021/6/2736

在環(huán)境材料研究進展中，作為建筑領域固有的建筑材料及其構件的再生循環(huán)的關鍵技術，下述方法將具有確定的重要地位：（1）混合結構形式鋼筋混凝土建筑物采取柱、梁和墻壁在現(xiàn)場整體混凝土灌筑方式。（2）高功能性和再生循環(huán)性結合的增強材料及其應用與地球環(huán)境相協(xié)調(diào)并具有良好再生循環(huán)性的混凝土構件應該是既具有長的使用壽命，又能在解體后容易再生循環(huán)的構件。2021/6/2737三、有機聚合材料的生態(tài)設計1．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，存在一個降低使用的問題?？紤]兩點：一是材料的相容性；二是如何評價回收塑料的老化程度。2．化學再生循環(huán)法化學再生循環(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。

2021/6/2738四、復合材料的生態(tài)設計1．復合材料生態(tài)設計原則

一般來說，使復合材料分解比制造時的成本和使用階段的能源還高。

21世紀的材料應當是有自修復性、自分解性、自組織化功能等的智能材料。復合材料多功能化是設計的一個方向。

2021/6/27392.有機復合材料的可再生循環(huán)設計

玻璃纖維增強塑料（GFRP）和碳纖維增強材料（CFRP）。

2021/6/27403.塑料合金的研究將兩種以上的聚合物復合，做成具有新功能的材料即所謂塑料合金。2021/6/27414．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

2021/6/27425.3生態(tài)產(chǎn)品的設計原則與方法

模塊化設計時不應只考慮一種型號或一代產(chǎn)品的部件模塊化，而應考慮到整個產(chǎn)品系列中各代產(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。2021/6/2743可再生循環(huán)設計中應首先建立以下概念

①規(guī)定產(chǎn)品系列和產(chǎn)品代的淘汰標準；②建立評價再生循環(huán)和再利用方法的量度；③建立促進有效的再生循環(huán)和再利用的體系。2021/6/2744產(chǎn)品拆卸分解過程復雜程度的衡量標準：

①種類復雜性，產(chǎn)品系列中零件的通用度。

②材料復雜性，在一種產(chǎn)品中使用的材料種類數(shù)。

③分類復雜性，拆卸過程樹狀圖中的“級數(shù)”和“群數(shù)”。

分類倉2021/6/27452021/6/2746

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確地預測材料廢棄率的方法。此外，下列因素也很重要：①再利用和再加工后的模塊化組件的經(jīng)濟價值；②材料的兼容性（粉碎后作為混合材料的易分離性和經(jīng)濟價值）；③經(jīng)再生循環(huán)后再生材料的經(jīng)濟價值。2021/6/27475.4工業(yè)生態(tài)學1．工業(yè)生態(tài)學原理在環(huán)境材料學科里，材料的可持續(xù)發(fā)展是一個努力的目標，而工業(yè)生態(tài)學為實現(xiàn)這個目標提供了一種手段。