材料生命周期工程與材料生態設計的研究進展

聶祚仁，劉　宇，孫博學，王志宏，左鐵鏞

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124)

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材料生命周期工程與材料生態設計的研究進展

聶祚仁，劉宇，孫博學，王志宏，左鐵鏞

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124)

摘要：材料生命周期工程以生態設計為主導，以滿足性能需求、節約資源、保護環境為目標，將毒害組分替代、綠色工藝規劃、清潔生產、資源循環等諸多技術與理論應用到產業鏈的各個環節，系統優化材料產品全生命周期的環境表現，是由材料科學、制造科學和環境科學深層次交叉而形成的國際重要科學研究前沿領域。回顧了國內外材料生命周期工程的發展與應用現狀，通過分析其技術內涵，解釋了生命周期工程與生態設計等關鍵技術要素的科學關聯，并指明了生態設計是實現生命周期工程思想的關鍵技術問題。結合我國材料行業的發展現狀，提出了適用于材料產品的生態設計理論框架與實施步驟，分別構建了基于性能-需求矩陣、資源耗竭模型、生命周期評價的材料性能、資源消耗與環境影響的量化分析方法，形成了可綜合統籌不同設計指標、面向材料產品的生態設計評價方法，為生態環境材料的開發與應用提供了理論支撐。

關鍵詞：生命周期工程；生態環境材料；生態設計；生命周期評價

1前言

材料作為社會經濟發展的物質基礎，在推動人類文明進步的同時，又是自工業革命以來資源、能源消耗與污染物排放的主要來源。據統計，我國鋼鐵、建筑材料、化工材料和有色金屬四大類材料生產能耗占全國總能耗的30%以上，占工業總能耗的50%以上[1]；廢水、廢氣和固體廢棄物占全國工業排放總量的比重分別在20%、40%和60%左右[2]。面對資源日漸匱乏、能源漸趨短缺、環境問題日趨嚴峻等全球普遍關注的熱點問題，強調材料與資源、環境協調統一，大力推進材料的生態化進程已經成為未來發展的重中之重。

“十二五”期間，隨著社會與企業環保意識的不斷提高，生態環境材料的制備技術與評價方法不斷完善，環境問題已經成為產品開發與企業決策時考慮的主要因素之一。節能環保技術的大量應用不僅緩解了材料生產本身與資源環境的巨大矛盾，而且向下游行業輻射，通過材料的性能優化促進建筑、交通等部門的節能減排，取得了很好的成效[3-5]。雖然可持續發展已經成為了產業界的廣泛共識，但是經濟效益依然是產業運行的主導因素，出于自身經濟效益最大化的考慮，生態環境材料及相關環保技術的廣泛應用仍存在較大阻力，導致技術水平與發達國家存在一定差距。總體來看，傳統材料行業尚未完全脫離依靠投資增量擴張和以生產要素驅動的發展模式。因此，開發面向環境友好的材料設計新理論與新方法，通過材料的設計、制備、回收等一系列環節的技術革新，減低材料產品在整個生命周期中對環境的影響，是我國經濟社會發展、提高產品國際競爭力的重要措施與內在需求[6-7]。

生命周期工程(Life Cycle Engineering，LCE)以生態設計為主導，以滿足使用性能、節約資源、保護環境為目標，將毒害替代、綠色工藝規劃、清潔生產、資源循環等諸多技術與理論應用到材料與產品的生命周期中，系統優化全產業鏈條的性能、成本與環境表現，是由材料科學、制造科學和環境科學深層次交叉而形成的國際重要科學研究前沿領域[8](圖1)。生態設計(Eco-design)，又稱生命周期設計，是生命周期工程理論的主導與核心，其主旨是指將環境因素納入到產品設計中，在保證產品使用性能與經濟可行性的同時，最大限度降低產品全生命周期對環境影響的設計方法[9-10](圖2)。研究表明，約80%的資源消耗和環境影響均取決于產品設計階段，在設計階段充分考慮現有技術條件，優化解決各個環節的資源環境問題，可以最大限度實現資源節約，從源頭上削減甚至避免環境污染。

材料行業是生命周期工程與生態設計應用的重要領域之一，其直接關系到下游行業(如建筑、交通等部門)產品的性能與環境表現。傳統的材料生產方式側重于產品本身的屬性和市場目標，把生產和消費造成的環境問題留待以后的末端治理；而生態設計從可持續發展的高度審視產品整個生命周期，在產品設計之初充分考慮資源和環境問題，從源頭節能治污；生命周期工程則是在生態設計的基礎上，進一步推行生產、使用、回收等過程的技術革新與管理升級，從全產業鏈條的各個環節降低甚至消除材料與產品對環境的負面影響。材料生命周期工程要求材料的設計面向生命周期全過程，在對材料的使用性能、資源消耗與環境性能進行量化分析的基礎上，追求在環保性、經濟性、技術性以及市場性等廣域范圍內的最優解，并通過在材料的制造、管理、回收等環節中持續的技術革新與工藝參數優化，有效降低材料產品全生命周期的環境影響。

圖1　材料生命周期工程技術的研究內容Fig.1　Research contents of LCE

圖2　生態設計三要素Fig.2　Basic elements of eco-design

2材料生命周期工程的發展與應用現狀

2.1國外生命周期工程發展與應用現狀

進入21世紀以來，生命周期工程研究在國際上迅速開展。在生命周期思想的指導下，建立了基于多因素、多目標優化的產品生命周期工程的理論框架及體系結構，以生態設計為核心，綜合考慮產品性能、成本、社會、環境等多方面的要素，指導整個產業鏈的全面優化。目前國際上著名的研究機構與典型的研究案例如下：

國際生產工程科學院(CRIP)成立于1951年，是世界頂尖的產品工程研究組織，致力于流程、機械與系統的設計、優化與管理研究。該院于1993年國際生命周期工程大會正式提出了“生命周期工程”的概念，并將其英文縮寫規定為LCE。同年，該院成立了生命周期工程工作組，組織每年國際生命周期工程學術會議的召開；迄今為止，這一國際會議已成功舉辦了20余次，為相關領域的學者提供了大量指導思想與方法規范[11]。

德國斯圖加特大學生命周期工程中心創立于1989年，前身為斯圖加特大學聚合物測試與科學研究所，最初開展產品生命周期評價研究，后將研究領域拓展至產品生命周期工程。該中心一直致力于產品在全生命周期中環境、技術、成本與社會問題的綜合分析，為企業提供全面的決策支持與解決方案，其研究領域涵蓋：生命周期評價；生命周期工程；生命周期成本分析；生態設計；環境管理；產品的環境聲明等。中心與Thinkstep公司(PEInternational公司前身)聯合研發的Gabi軟件系統及數據庫已經成為生命周期評價領域應用最為廣泛的軟件之一，廣泛應用于全球汽車、化學、金屬、電子、能源等行業的生態設計與技術開發[12]。

美國環保部支持的“戰略環境研究及發展計劃”在該計劃支持下，美國環保局在2001年發布的《產品生命周期工程指南》是生命周期工程領域早期較權威的指導書之一，其中結合大量的案例研究對產品生命周期工程相關內容與實施細則進行了詳細的闡述，包括：產品生命周期工程的定義與技術框架；產品系統的建模與多目標優化方法；產品生命周期工程的多因素評價模型等[13]。在此指南的指導下，美國多所研究機構分別開展了生命周期工程相關研究，如美國馬里蘭大學計算機輔助產品生命周期工程中心是失效物理(physics-of-failure，PoF)研究方法的創始機構之一，開發了眾多基于生命周期工程理論的設計方法、數學模型以及應用軟件工具，高效地輔助了電子產品的設計與分析，在加速破壞性試驗、故障及失效分析、電子元器件的選擇與管理等研究領域居于世界領先地位[14-15]。

日本東京技術研究所的“生命周期工程技術架構發展”研究該課題得到了日本 IMS 國家計劃、日本化學技術戰略推進機構、日本經濟產業省資助，聯合產業界三菱化學工業、住友電木有限公司等共同進行，以建立化學工業產品生命周期工程技術架構為目標，將研究內容分為產品生命周期工程和工廠生命周期工程兩項。產品生命周期工程支持相關產品標準和新技術的開發，主要研究如何開展產品及其最終產物的環境影響評價，包括生產過程建模、環境影響分析、數據倉庫、面向對象的分布式仿真等；工廠生命周期工程則側重于改善生產過程的設計、操作以及最終處理等過程，研究內容包括集成生產制造、安全設計及運作、集成連續工藝運作等。

生命周期工程的學科建設與人才培養生命周期工程是一門跨工程、社會、經濟等領域的綜合性研究學科，為了培養相關領域的研究者、實踐者, 革新傳統的工程學科體系具有根本的意義。以日本、美國為首的發達國家相繼開展了產品生命周期工程學科建設活動。美國卡耐基梅隆大學、喬治亞工程大學、日本東京大學等國際知名高校均明確提出了建設生命周期工程交叉學科的教育理念，開設的相關課程包括：工程產品和過程的環境分析、生態設計、生命周期的運營和管理、回收學和逆向制造、環境政策分析等。

2.2國內生命周期工程的發展與應用現狀

近些年來我國多項國家、省部級文件中均明確提出了推行生命周期工程與生態設計應用。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將“材料設計與制備的新原理與新方法”列為我國面向重大戰略需求的十項基礎研究之一，并指出未來15年我國要突破現代材料設計、評價、表征與先進制備加工技術，新材料技術將向材料的結構功能復合化、功能材料智能化、材料與器件集成化、制備和使用過程綠色化發展；《綱要》還明確了我國科技發展的戰略重點，其中“把發展能源、水資源和環境保護技術放在優先位置，下決心解決制約經濟社會發展的重大瓶頸問題”位列首位[16]。《國務院關于加強環境保護重點工作的意見》[17]和《國務院節能減排“十二五” 規劃》[18]中明確提出推行工業產品生態設計的要求；工信部《工業清潔生產推行“十二五”規劃》把推行產品生態設計作為“十二五”的三大重點任務之首，指出要引導企業開展產品生態設計，促進生產方式、消費模式向綠色低碳、清潔安全轉變[19]。在國家政策的大力支持下，我國的生命周期工程研究在很多基礎領域取得了較大的進展，主要集中在以下幾個方面：

材料生態設計理論與方法研究低環境負荷材料設計理論、方法與原則，揭示材料制備流程的物質-能量-環境效應的關聯機制、材料性能對產品服役過程環境影響的作用機理等[20]；研究資源循環工藝流程模型及循環模式的表征方法，探索資源循環與碳排放、資源耗竭等環境影響的關聯性；開展材料生態設計多態數據模型、信息表示、多維分析與決策、關聯規則、推理機制與流程化自動仿真的研究，開發集成材料環境負荷基礎數據、特征化方法和環境影響指標的材料生態設計技術體系和基于人工智能的專家系統，實現生態設計的集成化與自動化[21]；構建典型大宗材料及稀缺材料的生態設計基本流程與指導原則，優化材料組分設計與制備工藝參數，從源頭實現節約資源能源，減少環境污染[22]。

材料生命周期評價理論與方法生命周期評價方法作為生命周期工程最重要的支撐工具，已經成為目前國內生態環境材料領域最主要的研究方向之一[23-25]。1998年起，國家“九五”高技術研究計劃(“863”計劃)支持了首項國家層面的生命周期評價專項研究——“材料的生命周期評價研究”，由北京工業大學牽頭，重慶大學、北京航空航天大學、清華大學等六所重點大學聯合承擔，對我國鋼鐵、水泥、鋁、陶瓷等七類量大面廣的典型材料進行了生命周期評價研究。同期，我國生命周期評價的國家標準亦制定完成(GB24040-24043)。在“十五”期間，北京工業大學等六所重點大學又承擔了國家十五“863”計劃的“材料生命周期評價技術及其應用”，對整體材料生命周期評價技術框架、動態環境負荷分析方法和環境負荷的層次理論進行了深入研究，并提供了幾類代表性材料的生命周期評價及新材料與技術的應用示范。進入“十二五”以后，國家三大科技計劃都分別對材料生命周期評價的基礎理論研究和應用實踐研究給予了大力的支持，相關的研究和應用在各領域均得到了進一步拓展和加強。當前研究涉及材料生產流程及復雜生產系統建模的集成化、可視化和形象化，基于單元過程的材料全生命周期清單建模方法，多層次嵌套和反饋式系統清單物質流計算的高效算法引擎[26]；研究材料生命周期環境負荷屬性與材料性能的交互模式及其綜合環境負荷-性能表征體系，材料環境影響評價模型及模型參數優化[27-28]；針對大數據時代的信息資源高效利用，開展面向生產過程的材料環境負荷元數據采集、規范化、標準化、異構數據集成與數據挖掘方法的研究，開發數據模型、數據處理模式、數據存儲模式、數據表示、數據質量控制與定量化分析模型，實現數據在形式和內容上的統一[29-30]；開展基于互聯網技術的動態數據交換、在線綜合診斷與辨識模式、高效搜索引擎的研究，研究材料環境負荷知識發現、信息交換與協同處理技術[31]。

材料生命周期系統優化技術研究材料生產流程(資源、能源、工藝、設備)、運輸、使用、循環利用與廢棄處置全生命周期的物質流、能量流及其效率特征，研究材料生產、物流網絡、環境影響的交互作用及響應機制，以及產品性能、經濟性與環境影響的綜合影響[32-33]；研究元素流、典型材料區域物質流及產業規劃，研究材料產業鏈、供應鏈、物流鏈的結構優化及生命周期系統優化[34]；研究材料與下游目標應用行業(建筑業、交通業等)環境信息相銜接的材料生命周期綜合環境性能表征，實現綠色產品選材優化、生態設計與技術體系的優化[35]。

材料環境負荷評價數據庫及分析軟件開發材料的環境負荷數據庫是生命周期工程領域的共性關鍵基礎。經過多年的探索與實踐，我國已初步建立起具有自主知識產權的、代表性工程材料的環境負荷基礎數據庫和評價工具，有效地促進了傳統材料產業的環境協調改造升級[36]。但材料/產品環境負荷數據尤其是國家經濟建設需要的大宗基礎材料產品的環境負荷數據及數據質量仍然是我國推行生命周期評價的瓶頸。隨著國家對實施節能減排的強制要求，材料/產品的生態設計、碳排放分析與認證、生態城市建設等研究和應用需求的增加，在廣泛適用的環境負荷數據支撐及開放性系統、可操作性強的環境負荷數據質量分析方法及分析工具、數據庫和分析工具的系統集成性等關鍵基礎方面仍需進行深入研究。

材料生命周期工程的工藝規劃、綠色制造與清潔生產技術研究基于環境意識的產品制造工藝規劃方法、綠色工藝評價準則與選取方法、工藝規劃中的物料選擇問題，開發產品制造過程的節能減排技術、清潔生產技術、制造系統優化技術、制造過程物料優化控制技術，探索綠色制造的理論、技術、綠色設計的并行工程模式與運作管理模式，提高產品生產的資源能源利用效率，減少污染物排放。

材料生命周期工程中的再制造、重用及回收技術 開展廢舊產品回收與工業廢棄物回收關鍵技術的研究，開發工業廢棄物的高效利用技術、廢棄物再資源化技術(如廢棄物降解、再生、加壓、碎裂、浮選等技術) 、產品零部件循環使用技術(如重用、整修等技術) 和循環利用技術(如有關物理處理技術和化學處理技術)[37-38]。

材料生命周期工程相關學科建設為了滿足國家節能減排、低碳經濟及循環經濟等戰略性新興產業對高素質人才的迫切需求，我國在2010年設立新興交叉學科專業——資源循環科學與工程，通過對循環經濟工程技術相關理論知識的學習與工程實訓鍛煉，了解我國資源分布、產業布局、環境保護等方面的基本狀況，掌握材料/產品的生態設計原理，具備從事循環資源科學與工程基礎理論研究與工程技術開發、生態設計、環境管理等方面的工作的能力，主要課程包括：工業生態學、材料科學基礎、循環經濟概論、環境科學基礎、工業廢棄物處置與處理、循環經濟理論與生態工業技術等。

3材料生態設計理論框架與評價方法的構建

3.1材料生態設計的發展現狀

生態設計作為生命周期工程的基礎與核心，自20世紀90年代被提出以來，受到發達國家政府和企業界的高度重視。荷蘭的菲利浦公司、美國的AT&T公司、德國的奔馳汽車公司等先后進行有關產品生態設計的嘗試，實踐表明生態設計可減少產品30%～50%的環境負荷。國際標準化組織于2002年發布了ISO/TR14062《環境管理-將環境因素引入產品的設計和開發》標準，將環境因素引入產品的設計和開發具有降低成本、促進革新、改進產品質量等實質效益，早期設計階段的環境識別和策劃有利于制定控制環境因素的有效決策[9]。美國綠色電子委員會開發了基于生態設計的政府全球采購注冊系統，幫助美國各級政府負責采購的官員在招標過程中評估競標產品的環保性能；歐盟針對全球環境問題日趨嚴峻和劇烈的經濟競爭，于2009年發布了《確立能源相關產品生態設計要求的框架》(ErP指令)，其通過設定產品市場準入標準，促進產品生態設計水平的提高，未來產品生態設計的評估認證將拓展至更多領域，成為世界范圍的貿易壁壘。

總體而言，在歐盟、美國、日本等發達國家，生態設計已在各行業廣泛推行，其評價結果直接與政府采購掛鉤，并用于指導公眾的綠色消費。而近年來，我國多項國家、省部級文件中均指出，未來的工業領域要樹立源頭控制理念，以產品全生命周期資源科學利用和環境保護為目標，以技術進步和標準體系建設為支撐，逐步建立評價與監督相結合的產品生態設計推進機制，通過政策引導和市場推動，促進企業開展產品生態設計。雖然我國的生態設計標準體系正在逐步完善[10,39]，但仍缺乏針對材料行業的生態設計標準與評價準則，材料生態設計的關鍵指標也與國際先進水平存在較大差距。因此，開展材料生態設計研究，從源頭優化解決各環節的資源與環境問題，指導材料組分設計、工藝優化與再生循環技術的開發，尋求材料性能、資源消耗與環境影響在整個生命周期中的最優解，是促進材料全生命周期整體節能減排的有效途徑。

3.2材料生態設計的理論框架

本文將材料生態設計的實施步驟歸納為策劃、方案制定、方案驗證、實施4個階段，其中包含了將環境因素引入產品設計的主要實施過程。

策劃階段確定設計目標與實施方案，分為以下4個步驟：(a)確定設計目的；(b)選擇參照對象并確定其特征，通常考慮的材料特征包括其原料、工藝與性能等，參照對象需要能夠體現特定的基礎技術水平，通常選擇某種材料的生產現狀；(c)對參考對象的性能、資源消耗與環境影響給予定量化的評價，分析影響產品資源與環境表現的主要因素，確定需要改變設計的領域；(d)根據評價結果，提出改進材料性能、資源與環境綜合表現的建議。

方案制定制定材料設計或改進方案，分為以下4個步驟：(a)確定材料設計目標的各項性能參數范圍；(b)根據現有材料成分、工藝和性能之間的聯系，初步擬定多組目標材料的成分和工藝參數方案；(c)對照參考對象分析當前設計方案在達到設計目標的同時可能引發的其他問題；(d)對擬定方案進行多要素綜合評價，不滿足要求的方案被淘汰或者根據存在的問題重新設計；滿足要求的方案則確定為原型方案。

方案驗證驗證原型方案可行性并擇優，分為以下4個步驟：(a)對原型方案進行實驗室制備和測試，不能滿足要求的方案返回到方案制定階段重新進行設計；(b)根據實驗數據更新方案的全生命周期模型參數，并重新對達標設計方案進行資源、環境影響與性能的綜合評價，選擇綜合評價結果最好的方案進入小規模生產；(c)通過小規模生產搜集生產過程中的實際數據，并更新材料全生命周期模型參數并再次進行多要素的綜合評價，進一步尋找改進空間，并與參考對象的綜合評價結果比較，以確定是否達到目標；(d)如果認為達到目標，那么方案可以進入實施階段，否則根據評價結果提供的信息，返回第二階段重新設計方案。

實施階段方案驗證完成后，可以進入實施階段。但生態設計是一個反復的過程，在生產實踐中可能發現之前沒有考慮到的問題，需要對方案再次進行修改與評估。

3.3材料生態設計的評價方法

在材料生態設計的實施過程中，如何對不同設計方案進行評判與擇優是需要解決的關鍵問題之一，主要的技術難點在于如何科學量化材料的使用性能、資源與環境影響。本文建立了基于資源-環境-性能指標的多因素綜合決策模型，通過集成生命周期評價等國際主流的可持續發展評估方法，實現對不同評估要素的量化分析，并通過多因素決策模型最終計算得到表征材料資源、環境和性能綜合表現的生態設計綜合指標，量化不同材料設計方案得到單位使用性能造成的資源消耗與環境影響，進而對設計方案進行比較與擇優。綜合決策模型分為材料性能評價方法、資源影響評價方法、環境影響評價方法與綜合決策方法4部分。

3.3.1基于性能-需求矩陣的材料性能綜合評價模型

材料生態設計中的性能評價旨在量化材料的性能表現對設計需求的滿足程度。首先需要確定設計需求Ri(如輕質、高強度、長壽命等)，以及設計需求對于應用領域的相對重要程度wRi(需求權重)。材料滿足設計需求的能力與其本身的性能有關，因此還需要量化材料的主要性能并通過矩陣表示性能與設計需求的關聯，見表1所示，表中Wij表示了性能Pj對完成需求Ri的貢獻程度，如果某種性能對某種需求并無任何貢獻，則Wij=0。

表1　需求-性能矩陣

以應用于道路的瀝青混凝土材料為例，其需求-性能矩陣如表2所示。對于在道路的應用而言，需要材料具有抗水、抗滑、體積穩定等多項需求，而材料本身的各項性能指標，如殘留穩定度、擺式摩擦系數等則會影響材料滿足這些需求的能力。通過性能-需求矩陣，可以清楚反映各項需求的相對重要程度以及材料性能指標與應用需求的關聯。

表2　瀝青混凝土的需求-性能矩陣

通過需求-性能矩陣可以計算每一種材料性能對整體應用需求的重要程度，稱為性能權重系數，計算公式如下：

aPj=W1j×wR1+W2j×wR2+…+Wij×wRi

(1)

(2)

式中，wPj為第j類性能的權重系數，aPj為第j類性能的相對權重值，wRi為第i種需求的權重值，Wij表示了第j種性能對完成第i種需求的貢獻程度。例如表2中計算了瀝青混凝土應用于道路的各項性能權重值。

利用材料各項性能的權重系數與測試指標值，可以得到某種材料的單一化性能指標值，如公式(3)所示。

(3)

材料生態設計中涉及的性能指標涵蓋材料物理性能、力學性能與化學性能，在進行設計實踐時通常并不需要涵蓋所有的性能指標，僅需包含與資源、環境、產品需求相關的主要性能即可。因此，很難建立一種可以通用于所有材料的性能指標體系，需要針對不同應用領域與材料在生態設計的需求分析階段予以確定。性能指標也可進一步細分達標指標與擇優指標：達標指標僅需要達到一定的取值范圍即可；而擇優指標通常與產品的環境表現直接相關，如產品的壽命、保溫材料的隔熱系數等，這些指標的改變會顯著降低產品的環境影響，故在設計中應該在不嚴重影響成本的前提下，持續改善此類指標。

充足的自然資源供給是保證材料工業永續發展的物質基礎。自然界中資源的存在形式是多樣的，材料生命周期過程對礦產資源、化石能源、水資源、土地資源等多種自然資源均有一定影響；為了科學客觀地表征材料生產所造成的各類自然資源損失、確定材料生產的資源依賴強度，有學者提出了基于熱力學函數的資源耗竭特征化模型[40]。該模型的應用一方面可以將材料生命周期過程所造成的礦產資源、化石能源、水資源以及土地資源的消耗與損害表征為統一指標(物理單位相同)，另一方面還可以同時反映資源“量”與“質”在材料生產過程中的變化規律。在規定參考環境與元素化學計算模型的基礎上，可對各類自然資源進行系統量化[41]。

從自然界中開采的礦物其化學成分通常較為復雜，例如開采出的鐵礦石并非單一的磁鐵礦而是由多種純礦物(磁鐵礦、石英、長石、角閃石、透閃石等)組成的混合物；因此，僅以某種純礦物的值表示礦石整體的資源屬性不符合LCA的研究范圍。如公式(4)所示，天然礦物化學的計算包括兩部分，一是對不同純礦物的值進行加和，二是計算純礦物混合所造成的損失[42]。

ExNa=∑xAiExAi+RT0∑nAilnmAi

(4)

式中，ExNa為單位質量天然礦物的化學，ExAi為單位質量純礦物的化學，xAi為純礦物在天然礦物中的質量百分比，R為熱力學常數，T0為常溫，nAi為純礦物在單位質量天然礦物中的摩爾數，mAi為純礦物在天然礦物中的摩爾百分數。

(5)

式中，β為有機燃料的能比[44]，Exorg為有機燃料的值，Hl為有機燃料的低發熱量。

對于水資源，應針對材料生產流程中水資源的不同消耗方式，即物理蒸發、化學固化、混合排污，分別進行資源損害表征[45]，相應計算如式(6)所示。

WRDI=ΔEx1×∑mi+ΔEx2×∑mj+ΔEx3×∑mk

(6)

式中，WRDI為水資源耗竭指數，mi、mj、mk分別代表不同生產工序相應的廢水量、蒸發量與固化量，ΔEx1、ΔEx2、ΔEx3分別為與三種消耗方式相對應的資源損失因子。

對于土地資源，首先應確定人類使用行為對土地固碳能力的影響，在此基礎上，將人類使用行為所導致的土地固碳量的損失轉化為土地固量的損失。國內已有學者[28]對材料生產所引起的土地固碳能力變化進行了全面系統的研究，基于此項工作，可通過光合反應的能量變化將土地固碳能力轉化為其固定化學的能力[46]，如公式(7)所示。

ExLFocc,res=BLocc,res×CRC→Ex

(7)

式中，ExLFocc, res表示土地資源在占用階段和恢復階段的資源損失因子，CR為碳-轉化系數，BLocc, res表示土地占用階段和恢復階段的固碳量損失。

根據建立的資源影響綜合評價模型，進一步構建材料生態設計的資源影響指標體系，見表3所示。指標體系將資源影響(一級指標)分為資源消耗指數與資源品質下降指數：其中資源消耗指數包含礦產資源消耗、化石能源消耗與可再生資源消耗3個三級指標；而資源品質下降指數包含水資源使用與土地資源使用2個三級指標。通過指標體系，可以全面、客觀地對材料在全生命周期中對資源的影響進行綜合表征。

表3　資源影響指標體系

3.3.3基于生命周期評價的環境影響綜合評價模型

生命周期評價是目前國際上分析產品環境問題的主流工具之一，該方法通過收集產品或材料在生命周期中的主要輸入與輸出清單(包括資源消耗、能源消耗以及各類污染物排放)，并將其與各類環境影響相關聯，據此定量評價產品生命周期中造成的各類環境影響潛力(如全球變暖、酸化、人體毒性等等)，最終將各類環境指標通過損害評估與加權步驟綜合為單一指標來反映產品全生命周期的環境表現，該方法主要的評價流程見圖3所示[47-48]。

圖3　生命周期評價方法的計算流程Fig.3　Computation process of life cycle assessment

本文針對材料行業的特點，建立了基于生命周期評價的材料生態設計環境影響指標體系，見表4所示。指標體系中共涉及標準氣態污染物指數、水環境污染指數、土壤污染指數、人體健康損害指數4大類二級指標，涵蓋了人類行為對生態環境與人類自身健康的主要影響；每類二級指標下又可細分為三級指標與指標項目。在生態設計的數據收集過程主要針對指標項目進行數據的收集、計算與匯編，而后采用生命周期影響評價方法，將數據收集過程得到的各指標項目值進行逐級綜合，最終形成評價對象的單一環境影響指標值，綜合表征產品全生命周期中造成的各類環境影響。

表4　環境影響指標體系

3.3.4資源-環境-性能多因素綜合決策方法

在獲得資源影響、環境影響與材料性能3項單一指標值后，可以將三者相綜合得到生態設計綜合指標值，如公式(8)所示：

EDI=a×PI+b×RI+c×EI

(8)

式中，EDI為綜合生態設計指標，a，b，c分別為性能、資源影響與環境影響的權重系數，PI為性能指標值，RI為資源影響指標值，EI為環境影響指標值。

考慮到生態設計中通常會涉及多種方案的擇優，且需要盡可能避免權重系數選取的主觀性，本文建立了基于權重三角的方案擇優模型，如圖4a所示。三角形中的每一點向三邊做投影，均可以得到一組權重的取值方案，通過軟件編程計算三角形內所有的權重取值后，可以得到幾種方案各自的最優權重因子集，并表示于圖中，如圖4b所示，①、②與③區域分別表示3種方案為最佳方案時的權重取值。那么則可以認為所占面積最大的方案(方案③)為最優方案。

圖4　基于綜合決策三角的方案決策模型Fig.4　Decision-making model based on weighting triangle

4結語

依據國家中長期科技發展規劃，材料行業的發展應以提高自主創新能力、加快推動產業結構調整為主線，以國家重大需求為導向，圍繞我國生態文明建設對材料領域的迫切需求，樹立材料工業領域的源頭控制理念，以產品全生命周期資源科學利用和環境保護為目標，以技術進步和標準體系建設為支撐，在材料領域大力開展生命周期工程相關研究，主導材料與相關下游行業的綠色轉型與升級，促進生態設計理念、節能減排制造技術、清潔生產技術等在材料生命周期各個環節中的推廣與應用，系統地、有效地、持續地改善材料全生命周期的環境表現，最終徹底改變材料行業傳統的經濟利益導向與資源依賴型發展模式。

本文詳細介紹了生命周期工程的技術內涵與國內外發展現狀，建立了適用于材料行業的生態設計理論框架與評價方法，為生態環境材料的開發與應用提供了理論支撐。未來生命周期工程技術在材料領域的推廣與應用急需突破并發展適用于我國材料行業的全生命周期設計、評價與優化技術，建立以生態設計技術為指導、生命周期評價技術為標尺，生命周期優化技術為工具的生態環境材料產業綠色化發展模式，指導材料生產、產品制造、管理、維修、回收、再利用等一系列技術環節中持續的技術革新與工藝參數優化，尋求材料成本、性能與環境影響在整個生命周期中的最優解，逐漸緩和目前材料生產與資源環境間的巨大矛盾，實現材料領域的可持續發展，并輻射建筑、交通等相關下游行業，全面滿足我國生態文明建設對材料的需求。

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(編輯惠瓊)

Research Progress of Life Cycle Engineeringand Eco-Design in Materials Industry

NIE Zuoren, LIU Yu, SUN Boxue, WANG Zhihong, ZUO Tieyong

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract：Material life cycle engineering is a frontier interdiscipline based on the infrastructure of materials science, manufacturing science and environment science. It is an eco-design oriented applied engineering, in the purpose of meeting performance requirement, saving resource and protecting environment by means of hazardous substance substitution, green process planning, cleaner production, resource recycle, et al. throughout the whole industrial supply chain to achieve a systematic optimization for material products during the whole life cycle. In this article, the author reviewed the development and application status of material life cycle engineering, performed a comprehensive analysis of the fundamental technology to explain the linkage among life cycle engineering, eco-design and other critical techniques, so as to point out that eco-design is the key element to deploy life cycle engineering theory. This article also proposed the framework and implementation procedure of eco-design for the specific situation of Chinese material industry. Moreover, the quantitative assessment methods for materials performance, resource consumption and environment impact have been established based on performance-requirement matrix, Exergy analysis model and life cycle assessment, respectively, which form a material product oriented eco-design methodology with a full metrics, and provide further theoretic foundation to the eco-material development and application.

Key words：life cycle engineering; eco-materials; eco-design; life cycle assessment

中圖分類號：TB30; X32; X820.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)03-0161-10

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.01

收稿日期：2015-11-19

第一作者：聶祚仁，男，1963年生，教授，博士生導師，Email:zrnie@bjut.edu.cn