材料与环境 第一章 绪论

材料与环境01材料在国民经济中的地位与发展02材料与环境的关系03课程的主要内容与学习方法Contents目录第一章绪论中国天眼量子科学卫星天宫一号国产航母国产C919第一节材料在国民经济中的地位与发展材料是人类社会发展程度的重要标志石器（新、旧）时代石、木、皮、陶器、瓷器

↓铜器时代

紫铜、青铜

↓铁器时代

钢、铁及其它金属材料

↓合成材料时代金属、高分子、无机非金属、复合材料（合金、半导体、塑料、橡胶、纤维……）航天时代？航空航天新材料的研发

中国天眼量子科学卫星天宫一号国产航母国产C919港珠澳跨海大桥材料是人类社会发展程度的重要标志第一章第一节材料是高新技术发展的先导第一章第一节神州十二号飞船外涂层：低吸收、低发射热控涂层材料机身：高温隔热材料（陶瓷、纤维增强材料等）舱体蒙皮：铝合金火箭零部件：钨合金操纵棒：高强度纤维复合材料出舱服：高性能纤维材料头盔面窗：聚碳酸酯共聚物密封件：绝热材料与橡胶材料对接机构零件：离子注入+沉积复合表面强化层关键部件：金属材料（不锈钢、镁合金、钛合金、铝合金、结构钢、高温合金等）非金属材料（航空陶瓷、特种陶瓷、特种橡胶、碳纤维复合材料等）加工而成。全部材料均为我国自主研发材料是高新技术发展的先导第一章第一节中国自主研发的第一台航母-山东舰2019.12.17辽宁号：前苏联库兹涅佐夫级航空母舰的改进研发这一国之重器凝聚着中国钢铁人的心血所用钢材全部由我国自主研发生产高端材料、舰船制造、舰载机、动力系统、电子信息系统和武器弹药无磁镍铬钛合金钢：耐海水腐蚀、防鱼雷攻击甲板钢：承受重达二三十吨的舰载机在起飞和降落过程中产生的强烈冲击和高摩擦力，还要承受喷气式飞机高达几千度的火焰的灼烧。特种钢材的焊接技术材料是高新技术发展的先导第一章第一节《科技日报》列出的与材料相关的“卡脖子”技术清单2018年制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术，27项与材料密切相关中国“芯”与美国芯片差距的核心：光刻技术和设备半导体材料从硅的晶圆加工，再到芯片光刻用的光刻胶、薄膜沉积用的靶材第一章第一节华为Mate60Pro搭载了全新麒麟9000S芯片，具体到实际性能表现，我们通过高品质游戏测试来评估这款彻底“去美化”的“国产芯”。中国“芯”7nm国产光刻机的突破？-另辟蹊径-SSMB-EUV光刻机第一章第一节材料人逐梦前行，突破“卡脖子”难题柔性太阳能电池柔性全固态薄膜锂电池研制图折叠手机材料人逐梦前行，突破“卡脖子”难题60年代初：开始，技术、条件限制，进展缓慢1975年起：联合研发，解决有无，质量差2000年起：材料泰斗师昌绪先生牵头成立课题组，集中攻关。2015年：先后实现千吨级T300和T700级碳纤维量产，迫使日美降价。2019年：实现千吨级吨T-800和T-1000高性能碳纤维生产线的建设和工业应用，打破技术封锁歼20机身碳纤维材料冬奥会火炬广州地铁18号线“湾区蓝”高速列车第二节材料与环境的关系材料与环境的关系图a:自然环境为材料的生产提供原料（资源和能源）b-c-d:原料通过生产、加工制成物品或产品；供生产、生活使用e-f:a-b-c-d过程产生废水、废气和固体废物“三废”又回到环境传统材料的生命周期：a→b→c→d→e→f消耗越大→废弃物越多→环境影响越大↑a↑f改善途径：降低a和f的物质流↓a:

改进制备工艺降低消耗

强化废弃物回收与再利用b-g-h↓f:采用节能减排工艺、降低污染（氢冶金）

环境友好材料第二节材料与环境的关系材料环境相互作用，双重关系环境为材料提供物质与能量起到风化、腐蚀、降解等作用，削弱材料的性能可以用于修复环境、治理环境、减轻环境负担消耗资源与能源，造成环境污染、增加环境负担材料生产过程污染材料加工过程污染材料废弃过程污染材料使用过程污染资源、能源支撑着材料的发展第一章第二节我国的资源、能源现状我国的资源相对紧缺，人均资源占有量只有世界人均水平的三分之一水资源：（1）水资源总量丰富，人均水资源贫乏（世界1/4）；（2）水资源分布不平衡，呈现东多西少、南多北少的格局。缺水原因：先天性淡水资源短缺、资源开发利用效率不高、污染造成的生态破坏土地资源：（1）绝对数量大、人均占有量少（世界44%）；7%土地—20%人

（2）类型多样、区域差异显著；西部地区占56.5%，土地利用率极低

（3）资源利用率低。土地流失、土地荒漠化、土地的次生盐碱化、酸化和污染矿产资源：（1）矿产资源总量丰富，人均资源相对不足；（2）矿产品种齐全配套，资源丰度不一；（3）矿产质量贫富不均，贫矿多，富矿少；（4）超大型矿床少，中小型矿床多；（5）共生伴生矿多，单矿种矿床少。2030年，45种主要矿产资源中，只有2~3种能够自足；铁矿石、氧化铝等长期短缺资源、能源支撑着材料的发展第一章第二节我国的资源、能源现状我国是世界上最大的能源生产国和消费国以煤炭为主，份额将逐步减少2024年我国能源消费结构图2007年73.6%2019年57.7%2024年53.2%比世界平均水平高30%煤炭消耗占比油气自给率低，将更多地依赖进口六大高能耗产业：钢铁、水泥、有色金属中国是全球最大的油气进口国2007年47.0%2.0%2019年

70.2%42.1%2021年72.2%45.0%2023年73.6%42.3%2030年>77%50%石油对外依存度天然气对外依存度水能资源比重将会下降，发展空间有限清洁可再生资源比重将上升，核电发展潜力很大材料的环境负荷第一章第二节能源消耗（材料产业占全国总能耗~45%）+污染物排放（气、液、固废排放）材料生产中的资源、能源消耗类别能源消耗/104tce能源消耗占比/%黑色金属矿采选业17570.32有色金属矿采选业11140.22非金属矿采选业12090.22其他矿采选业9050.17石油、煤炭及其他燃料加工业419697.76化学原料及化学制品制造业6632712.26化学纤维制造业26340.49橡胶和塑料制品业53800.99非金属矿物制品业370496.85黑色金属冶炼及压延加工业6601112.20有色金属冶炼及压延加工业276635.11金属制品业64511.19合计25846947.78表1-12022年我国主要原材料工业的能源消耗统计表保持高位：煤炭、铁、锰等大宗矿产适度增长：石油、天然气、锂、钴、镍等战略性矿产我国煤炭消耗49.8×109tce（占世界54%）钢铁：5.7×108tce有色金属：3.0×108tce石化化工：5.2×108tce水泥：2.7×108tce燃料加工业：3.30×108tce石油消耗量6.9×108tce铁矿石消耗量为1.43×109t（占世界的67%）铜矿石消耗量为1.45×107t（占世界的49%）磷矿石的消耗量为8.85×107t（占世界的40%）2020年我国材料工业的资源能源消耗未来十五年资源需求：材料的环境负荷第一章第二节材料生产中的污染物排放材料生产中废气污染物的排放（2023年数据）SO2：材料工业排放106.6万吨，占比59.1%

Nox：

材料工业排放164.1万吨，占比50.0%

非金属矿物制品业、黑色金属冶炼和压延加工业排放量在42个工业行业中位居前三颗粒物（海盐粒子、燃烧烟尘、硫酸盐等）：材料工业排放244.6万吨，占比79.6%挥发性有机物：材料工业排放75.0万吨，占比35.0%

材料生产中废水污染物的排放水域中被稀释的污染物在自然界生物体内会被浓缩和富集Cr：5×10-11（游水中）→3.5×10-2

（鱼类体内），浓缩了1000万倍化学原料化学需氧量排放量为9.6万吨，占比29.4%；氨氮排放量为0.38万吨，占比31.6%材料生产中固体污染物的排放（2022年数据）工业固废产生量23.1亿吨，占比54.1%；工业危险废物产生量4819.8万吨，占比45.7%。工业危险废物引发灾难事故原因：企业在镁合金铸件机加工过程中，使用了含水较高的乳化切削液，收集的镁合金碎屑废物未进行有效的除水作业，镁与水发生放热反应，释放氢气，又因镁合金碎屑堆垛过于集中，散热不良，使得反应加剧，瞬间引发集装箱内氢气发生爆燃。思考：镁合金燃烧起火用什么灭火器？材料的环境负荷第一章第二节资源与材料的循环利用初步建立了“回收—加工—再利用”的废旧资源回收利用产业体系成效废钢、废弃有色金属等资源的回收规模已是世界首位

2023年，我国废钢、废弃有色金属的回收量分别为2.60×108t、1.8×107t问题资源及材料的循环利用产业体系不健全，回收利用水平较低2023年，我国钢铁原料中的废钢占比25%，美国>70%、欧盟55%-60%、韩国>50%、日本>35%报废汽车回收率为0.7%（国际水平为4%-6%），家电、电子产品、废旧电池等的回收率低于国际平均水平金属资源循环利用方面的法律与标准体系不健全、规范化水平低材料与“双碳”发展目标第一章第二节工业发展化石能源消耗能源枯竭CO2排放温室效应系列环境问题国际背景

全球超130个国家和地区设定了碳中和目标，其中大部分计划在2050年实现，如：欧盟、英国、加拿大、日本、新西兰、南非等。国内背景2014年9月，《中美气候变化联合宣言》首次提出2030年“碳达峰”计划2020年9月，习总书记在75届联合国大会一般性辩论宣布碳达峰、碳中和目标2020年9月-2021年3月，9次发表“碳中和”讲话材料与“双碳”发展目标第一章第二节石化、钢铁、电力、建材、有色金属、航空运输是需重点关注碳排的六大行业，其碳排放总量大于全国碳排放总量74%。行业大类细分行业CO2排放/亿吨占比（%）电力燃煤电厂35.3934.11工业钢铁15.9815.40工业水泥11.1210.71工业石油化工5.495.29工业其他建材生产1.921.85工业有色金属冶炼1.391.34工业合计

35.934.59表1-52020年中国细分行业碳排放数据2020年全国共排放103.76亿吨二氧化碳。排行前三的行业分别是燃煤电厂、钢铁和水泥，排放量占比>全国总量的60%。材料相关行业的排放量达35.9亿吨，占比为34.59%，超过燃煤电厂。作为能源高效生产与利用的关键和重要组成部分，新材料的发展与应用在实现“双碳”的进程中将起到至关重要的作用。第三节材料与环境的主要内容与学习方法主要内容一门研究材料的生产与开发同环境之间相互协调的课程主要内容材料的环境协调性评价与生态设计传统材料的环境生态化治理新型生态环境材料及相关技术环境治理材料金属材料的环境生态化治理无机非金属材料的环境生态化治理高分子材料的环境生态化治理复合材料的环境生态化治理环境替代材料课程编号：0804705018课程名称：材料与环境A（MaterialsandEnvironment)课程学时：16课程学分：1.0先修课程：材料科学基础、工程材料学等相关课程知识目标了解材料与环境的关系材料的环境协调性评价方法与生态设计方法传统材料的环境生态化治理方法环境治理和替代材料的特点及应用能力目标了解相关政策和方法能够正确评估材料科学与工程领域复杂工程对

可持续发展的影响素质目标能够尊重社会价值具备工程伦理素养树立家国情怀激发奋斗热情培养创新意识课程目标第一章第三节第一章第三节课程特点及学习方法课程特点多学科融合。材料学和环境工程两个学科；物理、化学、生物等学科的知识；几乎所有的工业，如钢铁、非金属、石油化工、矿产等。内容丰富。