开发再循环性材料以结构金属材料和木材为主

开发再循环性材料以结构金属材料和木材为主开发再循环性材料以结构金属材料和木材为主 料科纠氟涌外材开发再循环性 材料以结构金属材料和木材为主 王景义人类活动是由材料构成的 运输和信息传递也要靠材料进行 为了制造这些材料并使其具有一 定功能就要投入大量的能源 但在考虑这已成为夸无环境保护氟题 的基础时 有效地反复利用材料才是解凌问题的重要策略之一 很多金属材料与塑料不同 某种程度可杖再循环 然而为对付今天的资源 耳境问题 也最要 专虑使用过材料的回牧和再资源化在内的材料开发 将具有这样功能或特的材辩起名日再循环性甘料 来研究关于结构 用再循环性材料开发的可能性 另外术文也谈到适应环坊并富有再循环性的拘造材料的术村问题 材料在 广辞苑 中解释为加工后制诰物体之物 原料 如果观察一下用加工 制造之类人力涉及的词来说明的话 构成蜜 蜂 鱼鸟或兽的巢的天然原料就不属于材料 但是 本能也好依靠意志也好动物使用外界物质筑成巢类某种形式时 这 样的物质也叫材料是否不是自然的 至少如果把人类自古以来居住使用的石 土 木 皮 水等称为材 科 那么动物的巢也是由材料构成的 或者可以说通过物质的材料化而形成的 这样 在将自然环境存在 的物质直接作为材料使用的阶段中 人类的活动和自然环境是协调 的或者被完全编入其中 即或有时面对大自然的威褂 也可以说和 今天这样全球规模的环境问题完全无缘 说不定其理由是和文明无 缘 但从另外看法去观察也可说是由于仅从构成自然生态系统的物 质取得材科 生态系统材料 生态系统材料 石头是不变的稳定盼 木头和兽皮会腐朽或燃烧的 并且位于被纳入生态系统的循环圈 中 因此当然也不排放危害环境的物质 即便有也要在漫长的进化 过程中彻底编入生态系统 也就是说 完成再循环体系的材料或再循环所必需的能源也可说是 靠太阳能供给的材料 与此相对 人类从开始制造青铜器和铁器之后 开始破坏环境 特 别是因产业革命以后大量消耗化石燃料造成材科大量生产以及由此 造成运输工具的发展而最终导致现在的环境问题 作为制造和使用材料时投入的能源代价而排放的C 0 SO NO气体以及使用后的材料是自然生态系统不好处理的 当务之急是确立一种将这些排放物进行再循环或无害化处理的系统 和技术 但在短期内得出满意的回答并不是容易的 m前的材料是以 使用时功能的提高和低成本为目的而被开发灼 但是需要开发由此 在废弃或再循环对加给环境的承担程度小并作为所有材料应具备的 功能加以考虑的材料 材料常年为人类做贡献 但是却有其两重性 当使用方法错误时 便化作战争的工具 因而 现代开始评说材料存在的功过问题 这简直是意味着责问享 受现代文明的人类的存在 从这样的观点出发 今后开发和制造的 善5t材料就要具备能再利用的再循环性 再循环性并不是仅对材料要求的特性而是在处理物质的所有阶段必 须考虑的 特别是在再循环过程中全社会要建立一种回收和分勰很容易的产品 设计以及再循环系统是当务之急 用图表示如图1 历来的产品是将从采矿到使用 消费途径耗量最少为目标制成的 但今后的产品在如图所示的循环回路中 需要以对环境无害并包括 废弃适程在内使能源最少为方向 图中的再循环方向性产品在使用过程中既满足功错要求又适应人使 用 是使用后容易分离分割的产品 在这个意义上可称得上是回收 标志对象品 固1金一再循环回路从外界作为材料得来的物质不是用一次就扔掉 而是在人类的活动圈中像生态系统的大循环那样高效地运用能源 寻求使之反复循环 作为指向再循环性材料可有两个方向 一是可在自然生态系统中处 理或编入其中的材料另一个方向就是在所谓人造生态系统或在人类 活动圈中进行再利用而极力降低自然生态系统负担的材料 前者是除生态系统材料以外 在即使抛弃也对环境不产生太大盘害 的意义上包括陶瓷或铁等 构成现代文明的人造材料几乎都属于后 者在人类活动圈中必须力求实现材料的再利用和再资源 26化 下面以指向再循环材料为对象 对于在结构金属材料中被大量消耗 的铁和铝 还有作为生态系统材料的木材进行探讨 铁和铝一般金属材料的强度是由晶粒大小 添加元素的种类和数量 杂质 析出物的量和应变程度等综台决定的 以前主要靠改变添加元素的种类和用量来提高强度 但是添加元素 中有的资源近于枯竭 或者在再循环中再溶解时不能分离精制也使 用了积累的元素 铁要用铜 锌 镍等 铝则要用铁 锰 硅等 因 为是比母材元素更贵的元素 所以是在一般氧化冶炼中不能分离的 元素 在这些元素中对加工性和韧性等材料特性有不良影响的多 要想推 进再循环化需要开发出即使减少添加元素的种类韶添加量也能达到 所需强度的材料 生物以碳 氧 氢 氮 磷 钙为主要构成元素 木材由碳 氧 氲构成 如果金属材料也像这样用较少元素构成 那么对构成元素 的分离和再资源化就容易了 在这方面 通过新加工技术的开发和引进来达到使组织和结构实现 高强度化 比利用成分来保证强度更台乎指向再循环材料开发的方 向 在这一点上 自石油危机以来 日本的钢铁业在节能的条件下为提 高钢的质量而开发的钢的净化技术 微合金 加工热处理 控制压延 等技术可以说都处在指向再循环材料开发的前沿上 另外 由于表面处理钢板和复合钢板等的增加造成废钢铁的质量下 降 也就是说 由于按用户多种需求制造钢种 台金元素的种类和数量 的增加 包层村 减振钢板等不同种金属以及与有机物的复合而导 致废钢铁中杂质增加 造成再循环性下降的结果 还有 最近汽车的发展 非金属占产品重量的比例增加和因构造的 复杂化使解体对分选困难而造成废钢铁的劣化 这些原因正成为影 响再循环化进展的重要原因 在废钢铁的再熔炼时 钢中溶入的锔 锡 铅 镍 镉等元素 是 在冶炼反应中难以除去的元素 这些元素随着反复的再循环而在钢 中积累下来 影响热加工性和冷加工性 降低材料的韧性 对材质 有很环影响 另外 在比铁更容易氧化而在电化还原反应中才成为金属铝的情况 下 很难除去镁 钠 钙以外的添加元素 因此经过再循环化的铝 大多在铸造上使用 要想作为板 罐等压延材料使用时 需要补足 新基体金属来降低杂质的浓度 为了控制再循环化造成杂质元素危害并提高再循环性 就要采取许 多措施 诸如只用比母材元素更易氧化的元素构成的易氧化元素化 靠添加锰来抑制钢中铜造成的脆化之类无害化技术 成分变动的 材质影响很小的固焙台金的通用材料化 或者随着再循环造成杂质 量的增加而改变产品品种的阶式再循环 要想这样补偿使用元素的种类和数量的减少而得到满足所需性能的 材料开头叙述的加工技术的高级化是不可缺少的 另外 为探索新的台金体系 可以期待台金设计做出新贡献 在金属的冶炼中 为了浓缩有用的微量元素 有时要反复通过某一 浓缩工艺 阶式再循环通过材料的再循环进行与此同样的事 或者 浓缩虽是杂质元素却是最初有目的使用的元素 母元素与杂质元素的分离精制 从效率和费用上孝虑都是有利的 期望出现一种新的分离精制工艺 在材料再循环或物质循环的概念 上包含困长寿命设计对环境负担的后延 另外还包含资源枯竭和资源采掘时对环境破坏的减慢 以及获得材 料所需能源的节能化问题 然而 虽说是长寿命设计 但也要求同时具有在报废对能容易解体 的功能 溃散性 目前材料的复台化发展迅速 但即使在开发复合材料和智能材料对 也可通过事先给予溃散性而适应环境材料存在 例如 当赋予某一气体介质和温度对 使之积极地具有在较低冲击 力下溃散的功能 这也属于指向再循环性材料的范畴之中 以上讨论了构成指向再循环性材料的主 27t要因素 将这些归纳如 图2所示 一I指向再循环材料f一 T一 J jI1I 加 T 技术j一 组I JI净化凝固控制加工热处 一匹一 节省瓣加元素理超强加工超塑 性加工数一量 徽合盘 易氧化元素化 无害化 阶式化微细化 分 散控制单晶 固溶强化 非晶质图2指向再循环性材料的构成冷后的 材料开发主要是采用客易再循环的元素 靠加3 技本让材料具有适应用途的特性 这是很重要的 就象厨师用梗少 的材料舟怍各种菜一样 所谓再循环 虽可说是使物质复活后使用的一面 对再循环次数问题在下厦进行简要讨论 铝优点是虽然在氧化铝的 还原过程中消耗很多电力 但成为金属以后重量轻并有一定强度 具有再循环时熔解能量消耗少的性质今后是力求确定再循环途径并 应循环采用的材料 但是另一方面 它的市场价格不稳定 根据预 测到公元2000年还不足700 800万吨锅锭计算 为了保证铝的稳定供 应 最好是开发出一种提高再循环率和取代现行方法的节霞式冶炼 和精制的技术 铁和铝从汽车轻型化方面来看更扩展了竞争领域 为铁和铝的新基体金属块所投入的能源与每次重复再循环时再熔化 所需能源之和的比较如图3所示 关于基体金属块 每吨粗钢约需568万千卡 每吨铝锭181O万千卡 粗钢的值是将铁钢一条龙式炼铁厂的总使用能源被租钢生产量除得 的值 再熔化所需能源假定为理论熔化能源的2倍 铁为71万大卡 吨次 铝为51万大卡 吨次 虽然这是简单的假定但正如图中弱显表 马璺示的那样 铁和铝重 复再循环 两者的总能耗量相等的是在第6O次 这项结果也许对铝更甚 假定仅用钢的一半的重量制造同样功能的 结构体时 如虚线所示 在第n次耐两者相交 尤其 在结构体是电 车或汽车之类运输机械时 使用中的能耗量也必须加上 逸时各线 的斜度上升 特别是铁的斜度更陡 结果是交点更早到来这样 电 车和卡车等总走行距离远的情况下 使用铝更有优点 而对家庭用 车追求轻型化的优点是裉难的 木材术材自史前就是作为居住工具或燃料使用的材料 即使在现代 其消耗量无论在体积还是在重量上都超过水泥钢铁而保持首位 所以有人认为把现代称为钢铁时代或新石器时代只是表面的意思 文明的基础一般是靠木材支持的 木材在强度 耐火性 均匀性和耐久性等方面均不如金属材料 被 铁 铝等所取稿珥啦 目图3再循耳次敷与制造基体金属块总能潦的 关系目为同铝相比铁的熔点高 所以熔解和加工就需要更多的能源 为得到垒属铝所使用的能源用再循环来弥补 若搞戚和铁同等的 总能耗量时 必须再循环60次 为此应有效地利用铝的特性 轻质 高导电一导热性 耐蚀性等 即是说应该把力量倾注于节约能源的用逮 物体 电 热的运输等 代 但是 随着环境问题的发展与木材工业的技术革新相结合 近几年 来对术材更加关心 木材即使强度不好 但那也是单位断面积的事 在比强度 拉伸强度 密度 上 也就是说 以单位重量来比较 同玻璃和环氧树脂相比 日本扁柏无砍陷材料 有1 5倍的强度 也有低碳钢5倍的强度 术材虽然有给人们易燃的印象 但有导热系数小 比热大的特性 如果断面积大 就意嚎耐火性 隔热性优越 而且 术材燃烧时在表面形成碳化层 这种碳化层的导热率比术材低 也 有隔氧效果 因之其耐火性更加提高 术材的这些特性巳被重新认识 近年来大断面的工程术材 复合材 层压材 巳在大型建筑物上采用 木材除工程术材以外 还有浸渍无 机化合物来提高耐火性的陶瓷木材 将非结晶部分氢氧基的氢