綠色設計方法論在材料科學中的應用探討

1、-. z.綠色設計方法論在材料科學中的應用探討靳瑜, , 盧良清(日產(chǎn)汽車PD室， 450016)摘要：隨著社會的進步以及一系列環(huán)境能源等問題的凸顯，綠色設計的重要性愈來愈得到是人們的重視，成為一種全新的設計方法。新材料的研發(fā)被認為是當今人類社會最具開展?jié)摿Φ目茖W之一，如果用綠色設計方法去指引新材料的開展，必將為社會帶來巨大益處！本文分析了我國材料科學應用中存在的巨大問題，闡述了轉(zhuǎn)換產(chǎn)業(yè)開展思路的重要性和緊迫性；此外，本文以材料開展中的一些典型案例為切入點并由此延伸開來，深入闡述綠色設計在材料應用中的巨大意義；最終認為綠色設計是材料科學開展的必然選擇。關鍵詞：綠色設計生態(tài)哲學材料科學汽車 必然

2、選擇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 methodol

3、ogy has beengiven more and more attention by people and bee a new design approach.New materials research and development is described as one ofthe greatest potentialscience for development of human society. The worldwill get enormous benefits if using green design methods to guide the new materials

4、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 desig

5、n methodology in the paper. At last, it wasconcluded 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 引言綠色設計作為當代生態(tài)哲學所蘊含的技術方法論，與當代生態(tài)哲學有著共同的現(xiàn)實根源，是自然辯證法的重要的組成局部。它的根本思想是：污染的預防

6、應從設計開場，把改善環(huán)境影響盡可能地凝固在產(chǎn)品設計的初期。簡而言之，綠色設計與生態(tài)哲學是現(xiàn)實生態(tài)危機在人們思想中不同層面的反響。在自然觀層面主要表達為生態(tài)哲學觀，在方法論層面主要顯現(xiàn)為方法論1。對綠色設計產(chǎn)生直接影響的是美國設計理論家維克多，早在二十世紀六十年代，他就出版了一部引起巨大爭議的著作為真實世界而設計。該書專注于設計師面臨的最緊迫的問題，強調(diào)設計師的社會及倫理價值2。隨著當代工業(yè)迅猛開展，環(huán)境、人口、資源等全球問題日漸凸顯，綠色設計開場逐漸引起人們的共鳴，成為各國設計工作者的首要選擇。進入21世紀，人類社會的可持續(xù)開展成為最緊迫的課題，綠色設計必然會在重建人類良性生態(tài)家園過程中發(fā)揮關

7、鍵性作用，既滿足人類需要，又注重生態(tài)環(huán)境的保護，既實現(xiàn)社會價值又保護自然價值，促進人與自然的共同繁榮。信息科學、材料科學和生物工程被譽為當今世界三大前沿科學，新材料還被譽為現(xiàn)代文明的支柱之一。沒有把戲繁多、品種齊全、功能奇特、高純度的新材料，所有的高新技術只能是空中樓閣，電腦、機器人、宇宙飛船等都只能是天方夜譚。所以不管怎么樣的高新技術，都是要以開發(fā)和利用自然資源，進而別離或合成出材料為根底。本文分析了當前我國材料產(chǎn)業(yè)應用中存在的問題，并結(jié)合綠色設計方法論的相關容對其進展分析探討，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化開展思路、如何節(jié)能減排，提供較好的借鑒。2 綠色設計方法在材料開展中運用的必要性在材料科學中，金屬材料，

8、如鋼鐵、銅合金、鋁合金、鎳合金等，是材料家族中最大組成局部，被運用在人類社會的方方面面，同時金屬材料一定程度上成為工業(yè)文明的代言詞。然而，目前材料在工業(yè)開展中的現(xiàn)狀不容樂觀，尤其在開展中國家，表現(xiàn)更為嚴重。具體表現(xiàn)為：原材料加工過程中浪費嚴重，廠區(qū)生產(chǎn)污染嚴重，材料在使用過程中壽命過短，材料的回收加工性能缺乏?？珊唵胃爬楦咄度?、低效率、高污染。以我國為例，2003年，我國消耗了相當于全球總產(chǎn)量的30%的主要能源和原材料，創(chuàng)造的國生產(chǎn)總值僅占世界的4%。目前，我國資源的供應已不能滿足國民經(jīng)濟安康開展的需要，預計2020年我國可以保證需求的礦產(chǎn)僅為9種，特別是鐵、錳、鉻、銅、鋁等礦產(chǎn)將長期短缺。

9、另外，現(xiàn)有的資源利用率不高，浪費嚴重。礦產(chǎn)資源的總開發(fā)利用率僅有30%50%，比興旺國家評價低20%左右。每萬元國民收入的能耗為20.5噸標準煤，是興旺國家的10倍3。能源是材料的食糧，如果能源的枯竭必將帶來國民經(jīng)濟衰竭的連鎖反響。嚴峻的國民經(jīng)濟形勢不得不令人重新思索開展和設計的思路，目前的一些興旺國家，如日本、美國、國，他們的材料工作者已經(jīng)將一種全新的設計理念運用到材料生產(chǎn)設計中，已經(jīng)取得了良好的業(yè)績，這就是所謂的綠色設計方法。目前，雖然我國的材料的工作者在此方面進也取得了一定的成績，但深入的程度還遠遠不夠。3 綠色設計方法在材料開展中的局部縮影綠色設計方法具有3R本質(zhì)，即減量(Reduce

10、)，重復利用(Reuse)，循環(huán)(Recycle)4。減量就是要減少廢棄物的數(shù)量，旨在減少污染；重復利用旨在減少浪費，希望能對同一物體進展屢次使用；循環(huán)就是充分利用各種有用成分合理開發(fā)二次資源。這樣的本質(zhì)在設計過程中顯得非?？量?，因此平常的設計并不能完美無缺的充分表達這三個本質(zhì)，通常的做法是通過科學的具體的方式盡可能的去滿足它。這個具體就是綠色設計的策略。綠色設計的策略通常表現(xiàn)為以下七個方面，即選擇低環(huán)境影響材料，減少材料的使用量，優(yōu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)技術，優(yōu)化銷售系統(tǒng)，減少使用中的環(huán)境影響，優(yōu)化產(chǎn)品壽命，優(yōu)化產(chǎn)品回收處理系統(tǒng)。3.1 制備環(huán)保型材料材料生產(chǎn)中一定要注重對環(huán)境的保護，目前材料工作者進

11、展大量的研究，成功解決了一系列難題，如研發(fā)了可降解材料，從一定程度上遏制了白色污染的蔓延。如環(huán)境降解塑料研發(fā)。它可大體分為兩類：光降解、生物降解還有一種是光生物雙降解。其中，光降解塑料是塑料分子中引入光增感基團或在材料中添加光增感助劑等；生物降解材料主要為天然高分子如纖維素等改性物；在塑料中添加淀粉等天然生物降解物質(zhì)或化工合成聚己酯、聚己二醇等降解物質(zhì)等。又如,在金屬材料后續(xù)處理中，有時為了到達器件的高精度性能，要運用到鉛浴淬火工藝，而鉛是一種對人體和環(huán)境有雙重危害的元素，而這樣的金屬熱處理方法所具的成效又是其他熱處理工藝所不能到達的，為了解決這個矛盾，材料工作者用工業(yè)鹽取代鉛并獲得良好效果，

12、從而保護了環(huán)境。3.2減少材料的使用量在材料研發(fā)制備過程中，這條法則可以理解為能源和原材料的合理運用，包括減少產(chǎn)品重量和減少產(chǎn)品體積兩個方面。但它們共有的原則是使材料滿足服役的條件。在建筑材料制備方面，用于支撐所用的鋼管就是其中最好的例子，采用中空不僅減少了板材的運用量，同時也不削弱材料的強度。隨著計算機的開展，計算材料學也逐步興起，對材料的制備和研發(fā)起到了重要作用。如在模具成型方面，材料工作者預先通過計算機計算找到所需材料的最少量，然后根據(jù)這個數(shù)量合理填料，從而節(jié)約材料，防止了以往生產(chǎn)中的盲目性和浪費性，這一點在汽車車身沖壓成型方面應用甚廣。又如，新材料的研發(fā)方面，基于密度泛函理論而興起的電

13、子理論研究，可以從微觀的原子角度分析材料合成和反響的可否可行性，防止了大量的實驗和浪費。3.3 減少使用中的環(huán)境影響傳統(tǒng)的材料生產(chǎn)工藝，尤其是鋼鐵材料的生產(chǎn)，往往并不關心對環(huán)境的影響，從而造成了大氣污染和溫室效應。在冶金材料生產(chǎn)中，目前煤炭的燃燒工藝得到改良，進展預先脫硫，改良爐膛的工作效率，從而有效地保護了環(huán)境。一些興旺國家，甚至采用了清潔能源，如太陽能等。在汽車車身中，采用碳纖維、鋁合金等輕質(zhì)高強材料，可減少車身重量，從而減少燃油消耗量，保護環(huán)境。在汽車尾氣排放系統(tǒng)中，采用新型貴金屬材料構成的三元催化反響劑可直接較少CO和NO*的排放，較少對環(huán)境的污染。3.4 優(yōu)化產(chǎn)品壽命該策略的目的就是

14、要延長產(chǎn)品的使用壽命，包括產(chǎn)品的技術壽命和美學壽命。在材料研發(fā)中主要表達使用壽命。在苛刻的材料服役條件下，這種要求最能得到表達。比方石油管道材料，海水腐蝕材料等。以腐蝕為例，在腐蝕條件下材料的壽命很短，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國1998年腐蝕造成的損失已達2800億元人民幣，約占我國國民經(jīng)濟總產(chǎn)值GNP的4以上。尤其是腐蝕嚴重的化學工業(yè)部門，腐蝕損失竟達300億元左右，化工生產(chǎn)中因腐蝕造成的事故約占總事故的31。據(jù)此，材料工作者通過不懈努力，通過各種手段延長了材料在腐蝕條件下的壽命。如在海水腐蝕條件下，最常采用的方法是電化學保護方法，通過抑制陰極、陽極、導電介質(zhì)中的*一個來阻止電化學的發(fā)生。目前，最為

15、成熟的技術為犧牲陽極保護法，常用的犧牲陽極材料為鋁、鋅等。又如，鐵路提速需要火車的車軌、軸承具有更高更強的耐磨性，高強耐磨材料制備可以提高軌道材料的壽命。在汽車車身材料中，易腐蝕部位通常采用鍍鋅鋼板來減少車身的腐蝕。3.5 綠色設計方法論的推廣應用在材料科學開展中，綠色設計方法論推廣應用的前提就是要有基于綠色設計所提供的成熟穩(wěn)定工藝。在工藝的探索過程中，需要科技工作者攻堅克難，勇攀頂峰；在工藝推廣的過程中，需要相關的個人及部門以對社會、集體、子后代高度負責的態(tài)度，認真執(zhí)行工藝的作業(yè)要求；規(guī)作業(yè)，僅依靠自覺是不夠的，還需要社會的監(jiān)視，因此完善制度、統(tǒng)一賞罰標準不容無視。簡而言之，綠色設計方法論在材料產(chǎn)業(yè)中的推廣應用需要個體及社會的共同努力。4 結(jié)論及材料產(chǎn)業(yè)開展展望綜上，我們堅信綠色設計是材料科學應用開展的必然選擇。2004年，召開了國際新材料與加工、應用博覽會暨研討會。中國工程院左鐵庸院士作了構筑循環(huán)型材料產(chǎn)業(yè)，促進循環(huán)經(jīng)濟開展的報