汽車用金屬材料的生態設計實踐

孫博學，劉　驍，龔先政，高　峰

(北京工業大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

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汽車用金屬材料的生態設計實踐

孫博學，劉驍，龔先政，高峰

(北京工業大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

摘要：通過綜合使用性能、環境負荷和經濟成本3個因素，建立了基于模糊矩陣理論的金屬材料生態設計多指標評價模型，并應用于鋼鐵、鋁合金、鎂合金3種典型車用金屬材料的生態設計。研究結果顯示，就性能而言，鋼鐵材料的綜合性能優于鋁合金材料和鎂合金材料，其性能單一化指標分別比二者高8.25%和3.89%；就環境負荷而言，鋁合金材料的生命周期環境負荷低于鎂合金材料和鋼鐵材料，其環境負荷單一化指標分別比二者低10.68%和22.59%；綜合考慮不同設計因素，針對汽車前端部件制造，鋁合金材料的生態設計實施效果優于鋼鐵材料和鎂合金材料。

關鍵詞：鋼鐵；鋁合金；鎂合金；生態設計；汽車

1前言

在當代“綠色”與“循環”的發展宗旨下，“選材革命”已經成為汽車行業實現可持續發展的必經之路。汽車前端部件制造的耗材以鋼鐵材料為主，而鋁合金和鎂合金也正在逐步被視為可應用于汽車前端部件制造的輕型金屬材料[1-4]。

若以物理性能為設計因素，則鋼鐵的強度較高，鋁合金的可加工性較好，而鎂合金以密度最低為其優勢[5-8]；若以環境表現為設計因素，相關研究表明[9-12]，鋼鐵在生產階段的環境負荷最低，鎂合金在使用階段的環境負荷最低，而鋁合金的環境優勢則體現在部件的回收階段。由此可知，即使參照單一因素(性能與環境)，設計過程已涉及難以在物理層面或其它學科層面統一的多元化指標(如，材料強度、可加工性、密度)，如若綜合考慮不同設計因素以滿足實際應用中的各項基本需求，設計情況將更為復雜。對這種復雜性的解決體現了生態設計的核心思想與關鍵技術。

本文的研究目的是建立輕量化金屬材料生態設計的規范模式，以對不同設計指標與設計因素進行綜合統籌，從而實現環保性、實用性、經濟性并存的選材設計。

2方法與數據

2.1金屬材料生態設計方法

2.1.1材料性能指標的表征

性能是材料滿足實際應用需求的最根本保證；設計的實質即是將產品對性能的需求“明確化”，而具體的各類材料則是對產品性能需求的滿足或者說是性能需求的“實體化”。材料的各種性能在不同應用情景下所發揮的作用亦不相同，其相互間的重要程度也會隨之發生變化；例如，鋁合金在用作斷橋門窗框架時，應當選取耐腐蝕性能作為首要設計指標，而將其應用于汽車制造時，則應首先考慮力學性能。此外，對材料性能的需求程度也因應用情境不同而異，例如道路建設與大壩建設對混凝土材料的強度需求(即需求程度)間存在明顯差異。綜上所述，對材料性能的表征應當以實際應用情景為導向。

本研究通過構建需求-性能矩陣表示二者間的相互關系。如表1所示，Wij為性能Pj對需求Ri的貢獻，如果某種性能對某種需求并無貢獻(如材料的耐腐蝕性能與產品對材料力學性能的需求)，則Wij=0；aPj為性能Pj對產品需求的標準化數值，wRi表示不同性能需求在具體生態設計中的權重因子(相對重要程度)。公式(1)與公式(2)為各參數的計算過程。

aPj=W1j·wR1+W2j·wR2+…+Wnj·wRn

(1)

(2)

2.1.2材料環境負荷指標的表征與生產成本

生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)是國際上通用的材料環境負荷量化工具，也是生態設計的重要依托方法。LCA起源于上世紀60年代，發展至90年代時，逐漸出現若干國際標準(ISO14040-14049)，使其成為確定產品環境影響潛力的權威方法[13]。國際標準化組織(ISO)與國際環境毒物學和化學學會(SETAC)對LCA的定義是：匯總和評估產品、服務在整個生命周期內的資源投入與污染排放所造成的潛在環境影響的方法，其中生命周期的含義是與產品或服務相關的，從原材料獲取、加工制造、投入使用直至最終廢棄的前后銜接的一系列生產消費過程。根據ISO14040所定義的技術框架，一項完整的LCA研究應包括目標與范圍的確定、清單分析、影響評價以及結果解釋4個階段[14]，如圖1所示。

圖1　LCA的實施過程及技術框架Fig.1　Implementation procedure and technical framework of LCA

開展生命周期評價研究意在通過量化材料從 “搖籃”到“墳墓”過程的環境影響，識別出重點污染類型與污染環節，從而為制定相關環境政策提供理論依據與數據支持。與此不同，在生態設計中，除了要確定環境負荷指標外，還要綜合分析材料的使用性能與經濟成本因素，從而做出面向應用的最優選擇[15]。由此可見，生態設計在利用“生命周期”這一概念的同時也對其進行了拓展：傳統材料的生命周期包括從制造到投入使用以及報廢的各個階段，而生態設計將材料的生命周期延伸到了使用結束后對設計方案的改進，通過對生態設計方案的不斷反饋來完善產品的前端設計，最終得到最可行的生態設計實施方案。

除環境指標與性能指標外，產品的生產成本亦應在產品設計階段予以考慮。經濟成本的核算項主要包括材料生命周期過程所消耗的礦物、能源以及其它工業中間產品，如公式(3)所示。此外，在進行生命周期成本核算時無需考慮與環境影響相關的經濟成本，以避免與環境負荷指標的重復考慮。

C=Ce+Cr+Co

(3)

式中，Ce——能源消耗總成本；

Cr——資源消耗總成本；

Co——其他消耗總成本。

2.2功能單位與系統邊界

2.2.1功能單位的選取

本研究的功能單位選取為整車重為1 445 kg汽車的前端部件，設定汽車的報廢公里數為200 000 km；以鋁合金、鎂合金和鋼鐵生產該汽車前端部件的材料消耗量分別為：61 kg、45.2 kg、82.2 kg。

2.2.2系統邊界的規范

如圖2所示，不同金屬材料的系統邊界可統一規范為開采階段、生產階段、使用階段與回收階段；其中，不考慮汽車前端部件在行駛過程中的部件損耗與更換。

圖2　本研究系統邊界Fig.2　System boundary of this study

2.3數據來源

2.3.1材料生產、回收階段的清單數據

本研究中，材料生產階段與回收階段的清單數據源自北京工業大學自主開發的材料生命周期工程數據庫[16]；清單數據均為企業調研數據，質量較高，能夠反映我國材料工業的真實生產水平。

鎂合金錠的生產工藝選取為氣體保護法，數據范圍涵蓋原鎂生產、合金制備以及能源生產，鎂合金鑄錠的成材率約為30%～40%，取其平均值35%；鋁合金生產工藝選取為鍛造，數據范圍涵蓋原鋁生產、鋁合金熔鑄以及能源生產，鋁合金鑄錠的成材率約為60%～70%，取其平均值65%；鋼鐵生產的清單數據范圍包括鐵礦石開采、礦石精選、鐵礦石燒結、高爐煉鐵、煉鋼、軋鋼以及能源生產，鋼鐵材料的成材率取為97%。

2.3.2材料使用階段清單計算方法

汽車行駛過程的耗油量與汽車部件的重量呈線性關系，其解析式如式(4)所示[17]：

F(L)=L×FE(0)×[(1+SW)×(MPO-MPL)/MVO×

df/dm]-1×[MPL(MVO-(1+SW)×(MPO-MPL))]

(4)

式中，F(L)——汽車零部件行駛一定距離所消耗的汽油量(l)；

L——汽車行駛距離(km)；

FE(O)——燃油消耗因子(L/100 km)；

SW——二次輕量化，即由于某種零部件質量的減輕或材料的變動所引起的其它零部件變化(無量綱)；

MPO——零部件的原質量，即使用替代材料前的質量(kg)；

MPL——零部件的質量(kg)；

MVO——車輛的總質量(kg)；

df/dm——燃油效率與質量變化的關系。

根據設定的功能單位，行駛距離L為200 000 km，FE(O)選取為普通轎車燃油因子的平均值10.6 L/100 km，SW選取為0.5，MVO為1 445 kg；在汽車行駛過程中汽車質量每減少10%，平均燃油消耗率降低6.5%，相應的df/dm值為0.65。

2.4性能-環境-經濟指標的統一

2.4.1模糊矩陣評價原理

模糊綜合評價法是運用模糊變換原理，對某一對象進行全面客觀的分析，從而解決傳統評價方法難以統一多維度指標的問題[18]。

構建評價對象的因素集合U=(U1,U2,…Un)，評價集合V=(V1,V2,…Vn)。集合V中的元素是對集合U中相應評價標準的分級，即參與評價的n個因子的數值指標。依據集合因素中的模糊信息，建立模糊矩陣，見式(5)：

(5)

式中，rij為元素vj對元素ui的隸屬度,Ri為因素集合Ui的單因素評價矩陣。

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相應一級模糊綜合評價結果可表示為式(6)：

Si=Ai×Ri

(6)

式中，Ai表示U1,U2……Un中各因素的權重。

依據最大關聯度原理，最終評價結果中的最大值Smax即為最優實施效果。

2.4.2因素間權重因子的確定

對于不同設計要素之間的相互重要程度，本文采用層次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)[19]確定幾種生態設計要素的權重因子。該方法可以緊密地和決策者的主觀判斷與客觀推理相結合，確保最終設計方案的客觀性與合理性。

通過對研究目標的理解與認識，建立一個可將系統分為若干個層次的多級遞階結構。一般而言，每一層次所包含元素的數量不超過9個，如表2所示。

表2　AHP中各標度的含義

基于元素間兩兩比較的標度，可進一步確定相應的權重系數。本研究選用連乘法對其進行計算，具體過程如式(7)～(9)所示：

(7)

(8)

(9)

式中，bij——第i行，第j列的矩陣因子；

wi——歸一化結果，即權重；

B——n×n階判斷矩陣；

Wi——權重向量；

(BW)i——矩陣B與向量W相乘所得列向量中的第i個元素；

λmax——最大特征值。

3結果與討論

3.1環境負荷指標分析

3.1.1材料生產階段環境負荷的對比

就生產階段而言，不可再生資源耗竭潛力(ADP)、全球變暖潛力(GWP)、酸化效應(AP)最大的是鎂合金，鋁合金與鋼鐵材料所造成的上述3環境影響分別比鎂合金低98.90%和99.21%、59.41%和94.87%、64.25%和99.50%；光化學煙霧(POCP)、人體健康損害(HTP)最大的是鋁合金，鎂合金與鋼鐵材料所造成的這兩類環境影響分別比鋁合金低36.06%和99.62%、48.13%和99.92%。總體而言，在材料生產階段，鎂合金所造成的環境負荷最高，其次是鋁合金，鋼鐵最低分別比鎂合金、鋁合金低97.17%與57.20%，如圖3所示。

圖3　金屬材料生產階段環境負荷對比Fig.3　Comparison of environmental load between the three metals in the manufacturing phase

3.1.2部件使用階段環境負荷的對比

由于鋼鐵制部件的重量大于鋁合金和鎂合金部件，所以在部件使用(即汽車行駛)階段，鋼鐵制部件的耗油量高于鋁合金制和鎂合金制部件的耗油量，由此造成的環境負荷也高于鋁合金制和鎂合金制部件，如圖4所示。

圖4　3種金屬材料使用階段環境負荷對比Fig.4　Comparison of environmental load between the three metals in the use phase

由圖4可知，鋼鐵制部件在使用階段所造成的各單一類型環境影響與總環境影響均最大。鎂合金制與鋁合金制部件在使用階段所造成的POCP、ADP、GWP、AP、HTP分別比鋼鐵制部件低43.86%和25.01%、44.02%和24.94%、43.85%和24.71%、42.54%和24.89%、44.61%和24.89%；此外，鋼鐵制部件在使用階段所造成的總環境影響比鋁合金制與鎂合金制部件分別高78.40%和33.10%。

3.1.3部件回收階段環境負荷的對比

回收階段環境負荷最高的是鎂合金制部件，這是因為鎂合金中含有氧化物成分，因此，在鎂合金廢料再使用前必須進行成分調整，以滿足相應的使用需求。在回收處理過程中，無論是熔劑法熔煉還是無熔劑法熔煉都需要使用SF6、SO2等含硫保護氣體防止熔體氧化，而這些防護物質的使用會對環境產生極大的損害。總體而言，鎂合金的回收再生過程比鋁合金和鋼鐵更為復雜，其相應環境負荷也遠高于二者。鋁合金與鋼鐵在回收階段所造成的環境負荷分別比鎂合金低80.44%和89.82%，如圖5所示。

圖5　3種金屬材料回收階段環境負荷對比Fig.5　Comparison of environmental load between the three metals in the recycling phase

3.1.4部件全生命周期環境影響分析

如圖6所示，在整個生命周期過程中，鋼鐵制部件的環境負荷最大，其次是鎂合金制部件，鋁合金制部件的環境負荷最小，分別比鎂合金和鋼鐵低10.68%和22.59%。

幾種環境影響類型的大小有如下關系：POCP>GWP>AP>ADP>HTP。在鎂合金的生命周期環境影響中，POCP占總環境影響的56.84%，GWP占總環境影響的22.78%，AP占總環境影響的15.30%，ADP總環境影響的4.57%，其余部分是HTP。在鋁合金的生命周期環境影響中，POCP占總環境影響的82.77%，GWP占總環境影響的7.84%，AP占總環境影響的9.33%，ADP與HTP均較小。在鋼鐵材料的生命周期環境影響中，POCP占總環境影響的84.44%，GWP占總環境影響的7.19%，AP占總環境影響的8.22%，ADP與HTP均較小。

圖6　不同環境影響類型間的對比Fig.6　Comparison of different environmental impact categories

3.2性能指標分析

3.2.1性能-需求矩陣的建立

根據汽車對材料性能的基本需求，確定了汽車前端部件的不同需求Ri及其在生態設計中的相對重要程度wRi，從而建立了可表示二者間相互關聯的需求-性能矩陣，如表3所示。

表3　汽車前端部件需求與材料性能的對應權重

3.2.2單一化性能指標的對比

通過由性能-需求矩陣所獲得的權重因子對模糊化后的各項性能數據進行加權求和，得到鋁、鋼、鎂3種金屬材料用于汽車前端部件的單一化性能指標分別為0.715、0.774、0.745，如圖7所示。就應用于汽車前端部件而言，鋼鐵材料的綜合性能優于鋁合金和鎂合金，其單一化的性能指標分別比鋁合金和鎂合金高8.25%和3.89%。

3.3零部件生態設計結果

3.3.1基于模糊矩陣的生態設計結果

為了使3個矩陣能夠在同一維度上進行定量比較與

圖7　3種金屬材料的綜合性能指標值對比Fig.7　Comparison of the integrated performance indicator between the three metals

加權求和，進行模糊化處理如下：對性能子矩陣進行歸一化處理，得到矩陣U1=(U11,U12,U13)=(鋁合金，鋼鐵，鎂合金)=(0.320，0.347，0.333)；在生態設計中，環境負荷與經濟成本屬于“越小越好”的設計因素，因此需對二者進行取倒歸一化處理(即對其倒數進行歸一化)，得到環境影響矩陣U2=(U21,U22,U23)=(鋁合金，鋼鐵，鎂合金)=(0.374，0.292，0.334)，經濟成本矩陣U3=(U31,U32,U33)=(鋁合金材料，鋼鐵材料，鎂合金材料)=(0.339，0.313，0.348)。3種材料的評價矩陣可統一表示為式(10)：

(10)

對于汽車前端部件這一應用情景，材料性能對部件需求的滿足為設計的首要考慮因素，其次為環境負荷與經濟成本。在這一總原則下，采用層次分析法對3項設計因素進行兩兩對比，其結果如表4所示。

表4　生態設計三要素之間的重要性標度

以表4中的標度為基礎，按照公式(5)、(6)計算得到w1=(1×2×2)1/3=1.58，w2=(0.5×1×1)1/3=0.79，w3=(0.5×1×1)1/3=0.79，以及歸一化結果A1=0.5，A2=0.25，A3=0.25。進而得到材料性能、環境影響、經濟成本的權重值分別為0.5、0.25、0.25，相應綜合評價結果可表示為式(11)：

(11)

式中，S1為鋁合金材料生態設計綜合評價結果，S2為鋼鐵材料生態設計綜合評價結果，S3為鎂合金材料生態設計綜合評價結果。

依據最大隸屬度原則可知，鋁合金的生態設計評價結果優于鎂合金與鋼鐵。此外，若采用等權重方法對各項設計要素進行加權求和，則計算結果為：S=(S1，S2，S3)=(0.345，0.317，0.338)，可知S1>S3>S2；這一結果同樣顯示出選用鋁合金制造汽車零部件比選用鎂合金與鋼鐵更符合生態設計的理念。

3.3.2基于傳統生態設計思想的設計結果

為了表現本研究結果對生態設計方法的敏感性，在不考慮經濟成本的情況下，采用傳統的生態設計方法對3種材料進行了定量分析，選取W=P/I為評價基準(其中，P表示材料的使用性能，I表示材料的環境影響)，其意義為單位環境負荷所產生的性能回報。

鎂合金的綜合評價指標W1=P1/I1=3.18E+09，鋁合金的綜合評價指標W2=P2/I2=3.42E+09，鋼鐵綜合評價指標W3=P3/I3=2.88E+09。由此可見，與基于模糊矩陣的生態設計評價結果相一致，傳統生態設計評價結果也支持了鋁合金優于鎂合金與鋼鐵這一趨勢。兩種設計思想結果的一致性，增加了選用鋁合金制造汽車零部件最符合生態設計理念這一結論的可靠性。

4結論

通過對鋁、鋼、鎂3種金屬材料在典型汽車零部件中應用的性能-環境-經濟多設計指標進行綜合分析，本文嘗試性地提出了面向實際應用的金屬材料生態設計方法及其實踐步驟，所得結論如下：

(1) 3種材料的性能對比結果顯示，鋼鐵的綜合性能優于鋁合金與鎂合金，其性能單一化指標分別比鋁合金與鎂合金高8.25%和3.89%。

(2) 在所設定的系統邊界內，鋼鐵的生命周期環境負荷最高，其次是鎂合金，鋁合金的環境負荷最低，分別比鎂合金與鋼鐵低10.68%和22.59%。

(3) 與鋼鐵和鎂合金相比，將鋁合金應用于汽車前端部件制造更符合生態設計的理念。

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(編輯蓋少飛)

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專欄特約編輯聶祚仁

特約撰稿人龔先政

特約撰稿人高　峰

特約撰稿人周和敏

特約撰稿人孫博學

聶祚仁:男，1963年生，博士，教授，博士生導師。1997年于中南大學材料系獲博士學位，2002年9月～2004年3月為日本東京大學、名古屋大學客員教授。“長江學者”特聘教授，現任任北京工業大學副校長。兼任國家“863”新材料技術領域主題組專家，國家自然科學基金委專家評審組專家；Int.J.LCA(德國)中國區編委和全球LCA中心聯盟中方委員，稀貴金屬國家重點實驗室學術委員會主任，中國材料研究學會常務理事等。獲國家杰出青年科學基金并“特優”驗收，入選國家百千萬工程領軍人才，被授予“全國五一勞動獎章”等。主要從事有色金屬冶金材料加工及其循環再造研究。先后主持國際合作和國家“973”課題、“863”重點項目課題、重點基金等20余項，獲國家技術發明二等獎2項(第1、4)、國家科技進步二等獎2項(第1、2)和國家科技進步一等獎1項(第10)；授權發明專利和軟件著作權50余件；出版專著、教材4部，論文被SCI/EI收錄百余篇、他引兩千多次。

龔先政:男，1967年生，教授。2006年獲北京工業大學材料學博士學位，中國材料學會環境材料分會委員。長期從事生態環境材料研究、材料物質流分析、生命周期分析、材料(產品)生態設計、生命周期管理和材料資源加工與利用技術等研究與開發，主持國家“863”計劃、國家支撐計劃、國家科技條件平臺建設、國際合作項目等課題研究，承擔企業委托技術咨詢、服務和技術開發項目，建立中國材料生命周期環境負荷基礎數據庫及環境材料研究開發技術平臺。擔任JCP，EST等國際期刊審稿人，在JIE、SAEInt發表論文50余篇，SCI、EI、ISTP檢索30余篇，獲得專利2項和軟件著作權4項，編寫和參加編寫出版著作4部，獲得建材行業科技進步一等獎1項，國家科技進步二等獎1項。主要研究方向：生態環境材料；物質流分析與生命周期分析；材料/產品生態設計。

高峰：男，1978年生，副教授，碩士生導師。中國材料研究學會環境材料分會第三屆委員會副干事長、委員，中國有色金屬協會鎂業分會專家，中國材料研究學會青年工作委員會理事，InternationalJournalofLifeCycleAssessment審稿人。主要從事材料生命周期評價理論與技術的研究與教學工作，在面向流程的生命周期評價方法，鎂、鋁等有色金屬及其材料產品生命周期環境影響等研究方面取得重要進展。主持及參與國家自然科學基金項目、“863”項目、科技支撐等重要課題；獲得2012年國家科技進步二等獎，2010年省部級科技進步一等獎；在國際生命周期評價、材料領域中發表論文30多篇；鎂環境負荷數據被中國—美國—加拿大“鎂質車體前端結構研究與開發”(MFERD)合作項目、德國宇航中心汽車概念研究院、國際鎂業協會、中國鎂業協會等相關項目與機構引用和評述。主要研究方向：有色金屬材料生命周期評價/物質流分析；材料/產品生態設計理論與技術。

周和敏：男，1963年生，教授。2002年于北京工業大學材料學院獲工學博士學位，北京航空航天大學博士后流動站出站。2006年到日本參加JICA項目“提高鋼鐵工業資源、能源和環境管理能力”研修。從事于材料加工工藝及新產品開發研究、節能以及工業固體廢渣和低品質礦綜合利用工作。完成 “1 422 MPa級高強度預應力管樁鋼筋(PC鋼棒)生產工藝及裝備”開發，“混凝土用鋼筋焊接網成套設備”開發，“高強度低松馳預應力鋼絲穩定化生產”產品和裝備開發等；參加國家“863”項目“材料環境協調性評價研究”、國家科技支撐項目“循環經濟與清潔生產技術的清單優選、技術政策與標準體系”等項目的研究工作。已發表論文32篇；獲省部級科技進步獎4項，發明專利和實用新型專利16項。主要研究方向：高品質線棒材產品品種研發；深貧雜礦、鋼鐵廠固廢和有色冶煉渣處理和綜合利用及處理爐體設備設計。

孫博學：男，1985年生，2013年畢業于北京工業大學獲工學博士學位。主要從事材料生命周期評價的研究工作，重點研究材料生產流程資源轉化效率的熱力學表征；于國際生命周期雜志(IntJLCA)等國際重要學術刊物發表論文多篇，其中SCI收錄4篇。主要研究方向：基于理論的資源耗竭表征；多元素共生冶金系統的資源轉化解析。

Practicing Eco-Design in Metal Materials for Automobile

SUN Boxue, LIU Xiao, GONG Xianzheng, GAO Feng

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

Abstract：Through integrating three designing factors, i.e., physical performance, environmental load, and economic cost, this study tentatively established a fuzzy-matrix theory based eco-design model for metal materials, and applied this model to the eco-design of three typical metal materials for automobile, i.e., steel, aluminum, and magnesium. The results show that, regarding the physical properties, steel is more advantageous than aluminum and magnesium towards the demand of automobile industry, and steel’s integrated indictor of physical-performance is 8.25% and 3.89% higher than those of aluminum and magnesium, respectively; with respect to the environmental load, aluminum is more advantageous than steel and magnesium, and the single score of life cycle assessment of aluminum is 10.68% and 22.59% lower than those of magnesium and steel, respectively; in general, integrating various designing factors, the eco-design implementation effect of aluminum is more conspicuous than those of steel and magnesium towards the application in automobile industry.

Key words：steel; aluminum alloy; magnesium alloy; eco-design; automobile

中圖分類號：X820.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)03-0197-07

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.05

基金項目：國家863計劃(2013AA031602)

收稿日期：2015-09-22

第一作者：孫博學 ，男，1985年生，助理研究員，Email：sunboxuexx@163.com