綠色設(shè)計(jì)方法論在材料科學(xué)中的應(yīng)用探討

靳 瑜，張金華，盧良清

（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司PD室，河南 鄭州450016）

1 引言

綠色設(shè)計(jì)作為當(dāng)代生態(tài)哲學(xué)所蘊(yùn)含的技術(shù)方法論，與當(dāng)代生態(tài)哲學(xué)有著共同的現(xiàn)實(shí)根源，是自然辯證法的重要組成部分。它的基本思想是：污染的預(yù)防應(yīng)從設(shè)計(jì)開始，把改善環(huán)境影響盡可能地凝固在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期。簡而言之，綠色設(shè)計(jì)與生態(tài)哲學(xué)是現(xiàn)實(shí)生態(tài)危機(jī)在人們思想中不同層面的反應(yīng)，在自然觀層面主要體現(xiàn)為生態(tài)哲學(xué)觀，在方法論層面主要顯現(xiàn)為綠色設(shè)計(jì)方法論［1］。

對綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接影響的是美國設(shè)計(jì)理論家維克多，早在20世紀(jì)60年代，他就出版了一部引起巨大爭議的著作《為真實(shí)世界而設(shè)計(jì)》。該書專注于設(shè)計(jì)師面臨的最緊迫的問題，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)師的社會及倫理價值［2］。隨著當(dāng)代工業(yè)迅猛發(fā)展，環(huán)境、人口、資源等全球問題日漸凸顯，綠色設(shè)計(jì)開始逐漸引起人們的共鳴，成為各國設(shè)計(jì)工作者的首要選擇。進(jìn)入21世紀(jì)，人類社會的可持續(xù)發(fā)展成為最緊迫的課題，綠色設(shè)計(jì)必然會在重建人類良性生態(tài)家園過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，既滿足人類的需要，又注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，既實(shí)現(xiàn)社會價值又保護(hù)自然價值，促進(jìn)人與自然的共同繁榮。

信息科學(xué)、材料科學(xué)和生物工程被譽(yù)為當(dāng)今世界三大前沿科學(xué)，新材料還被譽(yù)為現(xiàn)代文明的支柱之一。沒有花樣繁多、品種齊全、功能奇特、高純度的新材料，所有的高新技術(shù)只能是空中樓閣，電腦、機(jī)器人、宇宙飛船等都只能是天方夜譚。而無論何種高新技術(shù)，都要以開發(fā)和利用自然資源，進(jìn)而分離或合成出材料為基礎(chǔ)。本文分析了當(dāng)前我國材料產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中存在的問題，并結(jié)合綠色設(shè)計(jì)方法論的相關(guān)內(nèi)容對其進(jìn)行分析探討，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化發(fā)展思路、如何節(jié)能減排，提供較好的借鑒。

2 綠色設(shè)計(jì)方法在材料發(fā)展中運(yùn)用的必要性

在材料科學(xué)中，金屬材料，如鋼鐵、銅合金、鋁合金、鎳合金等，是材料家族中最大組成部分，被運(yùn)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)發(fā)展中的現(xiàn)狀不容樂觀，尤其在發(fā)展中國家，表現(xiàn)更為嚴(yán)重。具體表現(xiàn)為：原材料加工過程中浪費(fèi)嚴(yán)重，廠區(qū)生產(chǎn)污染嚴(yán)重，材料在使用過程中壽命過短，材料的回收加工性能不足，可簡單概括為“高投入、低效率、高污染”。以我國為例，2003年，我國消耗了相當(dāng)于全球總產(chǎn)量的30%的主要能源和原材料，創(chuàng)造的國內(nèi)生產(chǎn)總值僅占世界的4%。目前，我國資源的供給已不能滿足國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的需要，預(yù)計(jì)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。另外，現(xiàn)有的資源利用率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重。礦產(chǎn)資源的總開發(fā)利用率僅有30%～50%，比發(fā)達(dá)國家均價低20%左右。每萬元國民收入的能耗為20.5t標(biāo)準(zhǔn)煤，是發(fā)達(dá)國家的10倍［3］。

能源是材料的食糧，如果能源枯竭必將帶來國民經(jīng)濟(jì)衰竭的連鎖反應(yīng)。嚴(yán)峻的國民經(jīng)濟(jì)形勢不得不令人重新思索發(fā)展和設(shè)計(jì)的思路，目前的一些發(fā)達(dá)國家，如日本、美國、韓國，其材料工作者已經(jīng)將一種全新的設(shè)計(jì)理念運(yùn)用到材料生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，并取得了良好的業(yè)績，這就是所謂的綠色設(shè)計(jì)方法。目前，雖然我國的材料工作者在此方面也取得了一定的成績，但深入的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

3 綠色設(shè)計(jì)方法在材料發(fā)展中的部分縮影

綠色設(shè)計(jì)方法具有3R本質(zhì)，即減量（Reduce）、重復(fù)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(fù)利用旨在減少浪費(fèi)，希望能對同一物體進(jìn)行多次使用；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(shè)計(jì)過程中顯得非常苛刻，因此平常的設(shè)計(jì)并不能完美無缺地充分體現(xiàn)這三個本質(zhì)，通常的做法是通過科學(xué)的具體的方式盡可能地去滿足它。這個具體就是綠色設(shè)計(jì)的策略。綠色設(shè)計(jì)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(shù)，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(hù)，目前材料工作者進(jìn)行的大量研究，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)，它大體可分為兩類：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(tuán)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)或化工合成聚己內(nèi)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，有時為了達(dá)到器件的高精度性能，要運(yùn)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，這樣的金屬熱處理方法所具的功效又是其他熱處理工藝所不能達(dá)到的，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，從而保護(hù)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(yùn)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(yùn)用量，同時也不削弱材料的強(qiáng)度。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算材料學(xué)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(yù)先通過計(jì)算機(jī)計(jì)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，避免了以往生產(chǎn)中的盲目性和浪費(fèi)性，這一點(diǎn)在汽車車身沖壓成型方面應(yīng)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子理論研究，可以從微觀的原子角度分析材料合成和反應(yīng)的能否可行性，避免了大量的實(shí)驗(yàn)和浪費(fèi)。

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(guān)心對環(huán)境的影響，從而造成了大氣污染和溫室效應(yīng)。在冶金材料生產(chǎn)中，目前煤炭的燃燒工藝得到改進(jìn)，進(jìn)行預(yù)先脫硫，改進(jìn)爐膛的工作效率，從而有效地保護(hù)了環(huán)境。一些發(fā)達(dá)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(qiáng)材料，可減少車身重量，從而減少燃油消耗量，保護(hù)環(huán)境。在汽車尾氣排放系統(tǒng)中，采用新型貴金屬材料構(gòu)成的三元催化反應(yīng)劑可直接減少CO和NOX的排放，減少對環(huán)境的污染。

3.4 優(yōu)化產(chǎn)品壽命

該策略的目的就是要延長產(chǎn)品的使用壽命，包括產(chǎn)品的技術(shù)壽命和美學(xué)壽命。在材料研發(fā)中主要體現(xiàn)為使用壽命。在苛刻的材料服役條件下，這種要求最能得到體現(xiàn)，比如石油管道材料，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(jì)，我國1998年腐蝕造成的損失已達(dá)2800億元人民幣，約占我國國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值GDP的4%以上。尤其是腐蝕嚴(yán)重的化學(xué)工業(yè)部門，腐蝕損失竟達(dá)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，材料工作者經(jīng)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(xué)保護(hù)方法，通過抑制陰極、陽極、導(dǎo)電介質(zhì)中的某一個來阻止電化學(xué)的發(fā)生。目前，最為成熟的技術(shù)為犧牲陽極保護(hù)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(qiáng)的耐磨性，高強(qiáng)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(shè)計(jì)方法論的推廣應(yīng)用

在材料科學(xué)發(fā)展中，綠色設(shè)計(jì)方法論推廣應(yīng)用的前提就是要有基于綠色設(shè)計(jì)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(jiān)克難，勇攀高峰；在工藝推廣的過程中，需要相關(guān)的個人及部門以對社會、集體、子孫后代高度負(fù)責(zé)的態(tài)度，認(rèn)真執(zhí)行工藝的作業(yè)要求；規(guī)范作業(yè)，僅依靠自覺是不夠的，還需要社會的監(jiān)督，因此完善制度、統(tǒng)一賞罰標(biāo)準(zhǔn)不容忽視。簡而言之，綠色設(shè)計(jì)方法論在材料產(chǎn)業(yè)中的推廣應(yīng)用需要個體及社會的共同努力。

4 結(jié)語

我們堅(jiān)信綠色設(shè)計(jì)是材料科學(xué)應(yīng)用發(fā)展的必然選擇。2004年，北京召開了“國際新材料與加工、應(yīng)用博覽會暨研討會”。中國工程院左鐵庸院士作了《構(gòu)筑循環(huán)型材料產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展》的報(bào)告［5］，為綠色設(shè)計(jì)方法論在我國材料產(chǎn)業(yè)中的運(yùn)用吹響了加速的號角。隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，中國材料產(chǎn)業(yè)必將實(shí)現(xiàn)高層次的可持續(xù)發(fā)展。

［1］黃志斌.自然辯證法概論新編［M］.合肥：安徽大學(xué)出版社，2007：201～211.

［2］劉光復(fù)，劉志峰.綠色設(shè)計(jì)與綠色制造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：5～48.

［3］戴起勛.金屬材料學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：1～4.

［4］余謀昌.生態(tài)倫理學(xué)—從理論走向?qū)嵺`［M］.北京：首都師范大學(xué)出版社，1999.

［5］左鐵庸.構(gòu)筑循環(huán)型材料產(chǎn)業(yè)促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2004（10）：73～78.