绿色设计方法论在材料科学中的应用探讨-修改稿

绿色设计方法论在材料科学中的应用探讨靳 瑜, 张金华, 卢良清(郑州日产汽车有限公司PD室，郑州 450016)摘要：随着社会的进步以及一系列环境能源等问题的凸显，绿色设计的重要性愈来愈得到是人们的重视，成为一种全新的设计方法。新材料的研发被认为是当今人类社会最具发展潜力的科学之一，如果用绿色设计方法去指引新材料的发展，必将为社会带来巨大益处！本文分析了我国材料科学应用中存在的巨大问题，阐述了转换产业发展思路的重要性和紧迫性；此外，本文以材料发展中的一些典型案例为切入点并由此延伸开来，深入阐述绿色设计在材料应用中的巨大意义；最终认为绿色设计是材料科学发展的必然选择。关键词：绿色设计 生态哲学 材料科学 汽车 必然选择Green Design Methodology Investigation in Materials Science ApplicationsYu Jin, Jinhua Zhang, Liangqing Lu(Project Director Office, Zhengzhou Nissan Automobile CO., Ltd., Zhengzhou 450016)Abstract: As the progress of society and the emergence of environment and energy issues, green design methodology has been given more and more attention by people and become a new design approach. New materials research and development is described as one of the greatest potential science for development of human society. The world will get enormous benefits if using green design methods to guide the new materials developmentIn this paper, some huge problems in material science were analyzed, which indicated it was quite urgent to change industrial development ideas of material science. Besides, some instances in material science were also used to elaborate the importance and significance of using green design methodology in the paper. At last, it was concluded that green design was the inevitable choice for the application of materials science.Key words：Green design, Eco-philosophy, Materials science, Automobile, the inevitable choice1 引言绿色设计作为当代生态哲学所蕴含的技术方法论，与当代生态哲学有着共同的现实根源，是自然辩证法的重要的组成部分。它的基本思想是：污染的预防应从设计开始，把改善环境影响尽可能地凝固在产品设计的初期。简而言之，绿色设计与生态哲学是现实生态危机在人们思想中不同层面的反应。在自然观层面主要体现为生态哲学观，在方法论层面主要显现为方法论1。对绿色设计产生直接影响的是美国设计理论家维克多，早在二十世纪六十年代，他就出版了一部引起巨大争议的著作为真实世界而设计。该书专注于设计师面临的最紧迫的问题，强调设计师的社会及伦理价值2。随着当代工业迅猛发展，环境、人口、资源等全球问题日渐凸显，绿色设计开始逐渐引起人们的共鸣，成为各国设计工作者的首要选择。进入21世纪，人类社会的可持续发展成为最紧迫的课题，绿色设计必然会在重建人类良性生态家园过程中发挥关键性作用，既满足人类需要，又注重生态环境的保护，既实现社会价值又保护自然价值，促进人与自然的共同繁荣。 信息科学、材料科学和生物工程被誉为当今世界三大前沿科学，新材料还被誉为现代文明的支柱之一。没有花样繁多、品种齐全、功能奇特、高纯度的新材料，所有的高新技术只能是空中楼阁，电脑、机器人、宇宙飞船等都只能是天方夜谭。所以不管怎么样的高新技术，都是要以开发和利用自然资源，进而分离或合成出材料为基础。本文分析了当前我国材料产业应用中存在的问题，并结合绿色设计方法论的相关内容对其进行分析探讨，为产业转化发展思路、如何节能减排，提供较好的借鉴。2 绿色设计方法在材料发展中运用的必要性在材料科学中，金属材料，如钢铁、铜合金、铝合金、镍合金等，是材料家族中最大组成部分，被运用在人类社会的方方面面，同时金属材料一定程度上成为工业文明的代言词。然而，目前材料在工业发展中的现状不容乐观，尤其在发展中国家，表现更为严重。具体表现为：原材料加工过程中浪费严重，厂区生产污染严重，材料在使用过程中寿命过短，材料的回收加工性能不足。可简单概括为“高投入、低效率、高污染”。以我国为例，2003年，我国消耗了相当于全球总产量的30%的主要能源和原材料，创造的国内生产总值仅占世界的4%。目前，我国资源的供给已不能满足国民经济健康发展的需要，预计2020年我国可以保证需求的矿产仅为9种，特别是铁、锰、铬、铜、铝等矿产将长期短缺。另外，现有的资源利用率不高，浪费严重。矿产资源的总开发利用率仅有30%50%，比发达国家评价低20%左右。每万元国民收入的能耗为20.5吨标准煤，是发达国家的10倍3。能源是材料的食粮，如果能源的枯竭必将带来国民经济衰竭的连锁反应。严峻的国民经济形势不得不令人重新思索发展和设计的思路，目前的一些发达国家，如日本、美国、韩国，他们的材料工作者已经将一种全新的设计理念运用到材料生产设计中，已经取得了良好的业绩，这就是所谓的绿色设计方法。目前，虽然我国的材料的工作者在此方面进也取得了一定的成绩，但深入的程度还远远不够。3 绿色设计方法在材料发展中的部分缩影绿色设计方法具有3R本质，即减量(Reduce)，重复利用(Reuse)，循环(Recycle) 4。减量就是要减少废弃物的数量，旨在减少污染；重复利用旨在减少浪费，希望能对同一物体进行多次使用；循环就是充分利用各种有用成分合理开发二次资源。这样的本质在设计过程中显得非常苛刻，因此平常的设计并不能完美无缺的充分体现这三个本质，通常的做法是通过科学的具体的方式尽可能的去满足它。这个具体就是绿色设计的策略。绿色设计的策略通常表现为以下七个方面，即选择低环境影响材料，减少材料的使用量，优化产品的生产技术，优化销售系统，减少使用中的环境影响，优化产品寿命，优化产品回收处理系统。3.1 制备环保型材料材料生产中一定要注重对环境的保护，目前材料工作者进行大量的研究，成功解决了一系列难题，如研发了可降解材料，从一定程度上遏制了白色污染的蔓延。如环境降解塑料研发。它可大体分为两类：光降解、生物降解（还有一种是光生物双降解）。其中，光降解塑料是塑料分子中引入光增感基团或在材料中添加光增感助剂等；生物降解材料主要为天然高分子如纤维素等改性物；在塑料中添加淀粉等天然生物降解物质或化工合成聚己内酯、聚己二醇等降解物质等。又如,在金属材料后续处理中，有时为了达到器件的高精度性能，要运用到铅浴淬火工艺，而铅是一种对人体和环境有双重危害的元素，而这样的金属热处理方法所具的功效又是其他热处理工艺所不能达到的，为了解决这个矛盾，材料工作者用工业盐取代铅并获得良好效果，从而保护了环境。3.2 减少材料的使用量在材料研发制备过程中，这条法则可以理解为能源和原材料的合理运用，包括减少产品重量和减少产品体积两个方面。但它们共有的原则是使材料满足服役的条件。在建筑材料制备方面，用于支撑所用的钢管就是其中最好的例子，采用中空不仅减少了板材的运用量，同时也不削弱材料的强度。随着计算机的发展，计算材料学也逐步兴起，对材料的制备和研发起到了重要作用。如在模具成型方面，材料工作者预先通过计算机计算找到所需材料的最少量，然后根据这个数量合理填料，从而节约材料，避免了以往生产中的盲目性和浪费性，这一点在汽车车身冲压成型方面应用甚广。又如，新材料的研发方面，基于密度泛函理论而兴起的电子理论研究，可以从微观的原子角度分析材料合成和反应的可否可行性，避免了大量的实验和浪费。3.3 减少使用中的环境影响传统的材料生产工艺，尤其是钢铁材料的生产，往往并不关心对环境的影响，从而造成了大气污染和温室效应。在冶金材料生产中，目前煤炭的燃烧工艺得到改进，进行预先脱硫，改进炉膛的工作效率，从而有效地保护了环境。一些发达国家，甚至采用了清洁能源，如太阳能等。在汽车车身中，采用碳纤维、铝合金等轻质高强材料，可减少车身重量，从而减少燃油消耗量，保护环境。在汽车尾气排放系统中，采用新型贵金属材料构成的三元催化反应剂可直接较少CO和NOX的排放，较少对环境的污染。3.4 优化产品寿命该策略的目的就是要延长产品的使用寿命，包括产品的技术寿命和美学寿命。在材料研发中主要体现使用寿命。在苛刻的材料服役条件下，这种要求最能得到体现。比如石油管道材料，海水腐蚀材料等。以腐蚀为例，在腐蚀条件下材料的寿命很短，据不完全统计，我国1998年腐蚀造成的损失已达2800亿元人民币，约占我国国民经济总产值GNP的4以上。尤其是腐蚀严重的化学工业部门，腐蚀损失竟达300亿元左右，化工生产中因腐蚀造成的事故约占总事故的31。据此，材料工作者通过不懈努力，通过各种手段延长了材料在腐蚀条件下的寿命。如在海水腐蚀条件下，最常采用的方法是电化学保护方法，通过抑制阴极、阳极、导电介质中的某一个来阻止电化学的发生。目前，最为成熟的技术为牺牲阳极保护法，常用的牺牲阳极材料为铝、锌等。又如，铁路提速需要火车的车轨、轴承具有更高更强的耐磨性，高强耐磨材料制备可以提高轨道材料的寿命。在汽车车身材料中，易腐蚀部位通常采用镀锌钢板来减少车身的腐蚀。3.5 绿色设计方法论的推广应用在材料科学发展中，绿色设计方法论推广应用的前提就是要有基于绿色设计所提供的成熟稳定工艺。在工艺的探索过程中，需要科技工作者攻坚克难，勇攀高峰；在工艺推广的过程中，需要相关的个人及部门以对社会、集体、子孙后代高度负责的态度，认真执行工艺的作业要求；规范作业，仅依靠自觉是不够的，还需要社会的监督，因此完善制度、统一赏罚标准不容忽视。简而言之，绿色设计方法论在材料产业中的推广应用需要个体及社会的共同努力。4 结论及材料产业发展展望综上，我们坚信绿色设计是材料科学应用发展的必然选择。2004年，北京召开了“国际新材料与加工、应用博览会暨研讨会”。中国工程院左铁庸院士作了“构筑循环型材料产业，促进循环经济发展”的报告5，从而为绿色设计方法论在我国材料产业中的运用吹响了加速的号角。随着技术