近年来，国际原油价格不断走高，铁矿石等原材料价格飞涨，全球变暖引发的灾害性天气频繁发生，凸显出由于现代工业革命带来的资源短缺和环境恶化问题正日益严重。当前我国已进入工业化中期，资源与环境已经并将继续成为制约我国经济发展的两大瓶颈。

 

　　据统计，我国石油储量仅占世界总量1.8％，铁矿石不足9％，铝土矿不足2％。但从资源消耗来看，我国消费增长速度惊人，从1990年到2001年，石油消费量增长100％，钢增长143％，铝增长380％；如今，我国钢材消费量已经达到大约2.5亿吨，接近美国、日本和欧盟钢铁消耗量的总和，约占世界总消费量的40％；电解铝产量和消费量均居世界第一，约占全球1/4。

 

　　而从环境污染来看，我国二氧化碳的排放量已位居世界第二，甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也居世界前列。显然，目前我国的国内资源和生态环境状况难以支撑当前这种高污染、高消耗、低效益生产方式的持续扩张。

 

　　材料是国民经济和社会发展的物质基础。统计数据表明，材料及其加工产业不仅是矿产资源和能源的主要消耗者，而且也是污染环境的主要责任者之一。因此，材料及其加工产业的可持续发展问题受到了越来越多的重视，生态环境材料及材料生态制备技术由此应运而生。

 

 

生态环境材料

 

　　我国在各种材料的生产使用过程中每年共排放废水66.78亿t，废气5.05万亿m3，固态废弃物4.11亿t，材料工业的固态废弃物占所有工业固态废弃物的66.7%。因此，材料及其制品的生产是造成能源短缺、资源过度消耗乃至枯竭以及生态环境恶化的主要原因之一。

 

　　生态环境材料亦称生态材料、环境材料或环境意识材料，系20世纪90年代初由日本东京大学的山本良一率先提出，并很快得到了国际上的认可。尽管国内外学者对其概念还存在争议，但主要思想是一致的，即在保证材料使用性能的前提下，同时还具有优良的环境协调性，或者是能够改善环境（如净化和修复环境）的特性。

 

　　所谓良好的环境协调性是指在材料的设计、加工、使用、废弃以及回收的整个寿命周期内，资源和能源消耗少、对生态和环境污染小和再生循环利用率高。

 

　　生态环境材料并非特指新开发的新型材料，它是国际材料界在充分审视材料发展与资源和环境的关系后，对传统“材料科学与工程”概念内涵的拓宽，改变了过去单纯追求材料性能和功能而忽视其环境协调性的片面认识，是材料产业可持续发展的必由之路。

 

　　近年来，围绕生态环境材料这一主题国内外开展的研究可以划分为三大主题：材料的环境协调性评价技术，新型生态环境材料的设计、研究与开发，以及材料生态制备技术。

 

　　材料的环境协调性评价技术是生态环境材料基础理论体系中的重要组成部分，着眼于评价方法以及评价数据库的建立，为评估材料的环境协调性提供量化的依据；新型生态环境材料包括：纯天然材料、仿生材料等环境相容材料，生物降解塑料、光降解塑料等环境降解材料，水污染控制、大气污染控制、电磁波防护等环境净化材料，固沙材料、二氧化碳固化材料等环境修复材料，氯氟烃化合物替代材料、石棉替代材料等环境替代材料等等。

 

 

材料生态制备技术

 

　　材料制备/合成是材料科学与工程中不可或缺的一个环节。材料生态制备技术是与生态环境材料相适应的制备技术，着眼于在材料制备/合成过程中提高其环境协调性。发展材料生态制备技术对于改善材料的环境协调性具有重要意义，特别是对于传统材料生产，因其具有量大面广、能耗高、污染大的特点，对其关键性生产工艺流程进行技术改进，能显著降低对环境的影响。

 

　　从改善材料环境协调性的不同途径出发，材料生态制备技术可以分为三大类。

 

　　第一类是提高材料性能以实现长寿命化、减量化的工艺技术，如纯净化技术、超细晶技术等。

 

　　不断提高材料的性能和使用效能是材料科学与工程的永恒追求，既充分挖掘材料的潜力，又可以延长其使用寿命或减少其用量，这方面典型的例子包括高强度汽车钢板、高强高韧铝合金和先进陶瓷材料的开发等。1999年全球34家钢铁企业组成联合体，共同启动超轻钢制汽车车身研究项目ULSAB-AVC，通过发展高强度钢板实现了汽车减重、降耗、减少CO2排放、提高安全性等。

 

　　目前除了固溶强化型、烘烤硬化型和热处理强化型钢外，近年来又发展了双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢、复相（CP）钢和马氏体（M）钢等利用相变组织强化的先进高强度钢（AHSS）。在新一代轿车的用材中，强度高于500MPa的材料占82.35%，强度高于800MPa的材料已占到61.68%。

 

　　纯净化技术和超细晶技术是发展超级钢和超高强度高韧性铝合金等材料的关键技术。当材料的纯净度达到一定程度时，其性能将会发生质的变化，如超纯铁([Fe]>99.995%)的耐酸侵蚀能力与金或铂的抗腐蚀能力相当，18Cr2NiMo不锈钢中[P]从0.026%降低到0.002%时，其耐硝酸的腐蚀能力提高100倍以上；当夹杂物的尺寸小于1μm，且其数量少到彼此间距大于10μm时，它们将不会对材料的宏观性能产生影响，反而还会发挥有益作用。

 

　　目前国外工业生产中钢水的洁净度已可达到超洁净钢的水平，即5大有害元素S、P、O、H、N的总量控制在50 ppm以下。对于铝熔体的净化，旋转喷吹等在线除气装置可将其中氢含量降至0.10 cm3/100g Al以下，利用外场作用的电磁净化技术有望彻底去除5μm以上的非金属夹杂物。

 

　　对于金属材料来说，晶粒尺寸和形态是其铸态组织最重要的特征，大多数金属材料的最佳铸态组织是细小均匀的等轴晶。如对于工业牌号铝合金，根据Hall～Petch公式计算，当铝合金的晶粒细化到1～3μm时，强度可达到现有水平的1.5倍，同时合金的韧性、耐蚀性均可大幅度提高。

 

　　常见的细化处理手段包括向液态金属中添加晶粒细化剂、大变形、快速凝固、去除异质晶核获得深过冷或借助外来能量(如机械振动、电磁搅拌、超声波处理等)破碎枝晶的动力学细化方法等。

 

　　第二类材料生态制备技术是以冶金短流程工艺、近终形精密成型技术等为代表的节约能源和资源、低排放低废弃或零排放零废弃的加工技术。以钢铁工业为例，国内外正在大力发展的薄带连铸连轧技术就是钢铁近终形加工技术中最典型的节能高效型的短流程工艺。

 

　　带钢生产的传统工艺是经过铸锭－锻造－热轧－冷轧或经连铸坯－热轧－冷轧等工序生产成品钢带，工序复杂、基建、设备投资大。而薄带连铸连轧工艺就是直接用钢水浇成2～5mm厚度的薄带钢，实现铸轧一体化。该工艺与传统的板材生产工艺流程相比，钢材生产的节能效率和生产效率大大提高，生产成本大大降低。

 

　　根据有关专家的测算，与连铸连轧过程相比，每吨钢可节省能源达800 kJ，每吨带卷的成本比传统方法降低40％左右，CO2排放量降低85%，NOx降低90%，SO2降低70%。

 

　　第三类材料生态制备技术是包括废旧金属再生技术、工业及电子废弃物再生技术等在内的提高材料循环利用率的废弃物再生利用技术。

 

　　二次资源的再生利用是发展循环经济的重要一环，具有显著的经济和环境效益。如生产再生铝的能耗一般仅为原铝生产能耗的3%～5%，CO2排放量则可减少90%以上，还可节约大量的铝土矿资源。我国是一个废旧铝净进口国，但我国再生铝行业与欧美发达国家相比差距较大。

 

　　国外的再生铝厂普遍能够生产高强度的、大规格的满足航天航空、军事领域需求的变形铝合金，如生产7xxx系列、2xxx系列的大板锭和直径在1080 mm的圆棒，而我国近80%的再生铝用于生产铸造铝合金，其中多数为低档次的供压铸用的小型铝锭。围绕铝的循环再生与利用，亟需发展一批与循环经济相适应的分检、熔炼、熔体处理等先进技术与系列装备。

 

　　以电子废弃物为例，与一般废弃物不同，废旧家电设备(WEEE)和电子垃圾中不仅包含钢铁、铝、铜、塑料等可回收利用的工程材料，还包含金、银、铂、铑等稀贵金属和镓、锗、硅、铟等价值很高的电子材料以及铅、镉、汞等毒害较大的重金属元素，如果不回收处理，不仅是资源的巨大浪费，还会带来严重的环境问题。

 

　　由于电子废弃物的性质差异和成分的复杂性，对其回收技术及装备有较高的要求，目前常见的有机械回收处理技术、热处理回收技术、湿法冶金回收技术、生物技术等。此外，材料工业生产中产生的大量固体废弃物，如钢铁生产中的炉渣、氧化铝生产中的赤泥、铝合金熔炼过程中的铝灰等，如能对其充分加以利用实现再资源化，不仅可以取得巨大的环境效益，也可以实现良好的经济效益。

 

　　材料工作者在新的历史时期赋予材料以“环境意识”，这是材料及其加工产业可持续发展的必然选择，也代表了国际上材料科学与工程发展的最新趋势。发展与生态环境材料相适应的材料生态制备技术，无疑具有广阔的空间和美好的明天。

 

本文作者疏达来自上海交通大学材料科学与工程学院