材料和产品的生态设计

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表5-1 几类机电产品中所含的稀有金属 表5-2 某些重要金属的全球储藏量
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提高环境效益的策略有以下3条：①防止 污染、废弃物减量、绿色生产、绿色技术；②生 态环境设计；③再利用与再生（循环式）。有研 究者认为，生态设计应包括①和③两条。
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图5-1 现代设计内容及目标示意图
Fe-C-Si-Mn系低合金钢可以获得在大范围内变 化的力学性能，从而满足不同用途时的材料性 能要求。
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现代材料进行环境协调性设计，一般包括： 1）强度（也包括疲劳强度等），韧性，高比 强度（先进性）。 2）简单组成，易解体结构（环境协调性）。 3）功能兼容，多功能性（舒适性）。
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① 合金组元、规格简单，再生循环过程 中易于分选； ② 原则上不添加现在尚不能精炼脱除的 元素。 ③ 尽量不使用环境协调性不好的合金元 素。
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研制简单合金时应遵循以下两原则： ①在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金 组元数； ②获取合金高性能时，以控制显微组织作为加 入合金元素的替代方法。
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生态设计 产品的综 合价值指 标
Impact
排除C
排除 I
Performanc
P
e
IC
Cost
P
I
环境效率
P 性能最好，成本最低
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三、生态设计方法
产品设计时就要充分兼顾其性能、质量、 成本与环境协调性
1．设计要点 生态设计的准则与目标是：
（1）减少拆卸工作量
（2）可预见性
（3）易于处理
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生态设计目标主要考虑4个要素，即先进性、 经济性、协调性和舒适性。
★ 先进性：是指要充分发挥材料的优异性能， 满足各行各业对材料产品的要求；
★ 经济性：即考虑材料产品的成本，能够保 证制造商的利润，维持经济活动的运转；
★ 协调性：就是要保证在材料的生产和使用 过程中与环境尽可能协调，维持生物圈循环过 程的平衡；
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5.1 生态设计概论
一、生态设计的基本概念
生态设计（Eco-design，ED）是指在材 料和产品的设计中将保护生态、人类健康和安全 的意识有机地融入其中的设计方法，故又称为生 命 周 期 工 程 设 计 （ Life Cycle Engineering Design，LCED）、绿色设计（Green Design， CD ） ， 或 为 环 境 而 设 计 （ Design for Environment，DFE）。
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从生产和使用的角度看，有关材料再生设计的 内容主要有四个方面： 一是对某种废弃物的直接再利用； 二是对某些零部件的回收再利用； 三是将某种废弃物作为原料再利用； 四是有关材料生产过程中的能源回收再利用。
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4.2 材料的生态设计
一、金属材料生态设计 要求建立3个基本概念：
①减少合金元素而保持高性能； ②以调整显微组织作为加入合金元素的替代方 法来获得所需性能； ③再生过程中易于分离和无二次污染。
（4）易于分离
（5）减少多样精品性课件
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产品设计总的要求是统一化、简化、省能、 协调化，使产品低熵化，缩小不可逆过程，改进无 序状态。具体要求如下：
（1）选择对环境影响小的原材料
（2）部件：产品是由相同或不同材质的部件组成
（3）产品：不同产品的生态设计要求侧重不同
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2．生态设计方法与过程
第五章 材料和产品的生态设计
内容
➢ 5.1 生态设计概念 ➢ 5.2 材料的生态设计 ➢ 5.3 生态产品的设计原则与方法 ➢ 5.4 工业生态学
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➢人类现已使用了三分之一以上的自然资源或 自然恩惠。
➢引起资源枯竭的原因，除大量开采、无限度 使用外，资源的回收利用率低是另一重要原 因。
➢随着人们对地球环境意识的提高，现在的工 厂防止公害的措施已由排放口处理或控制， 转到污染源头的控制。
★ 舒适性：是指材料产品能够提高生活质量，
使人类生活环境更加舒精品适课件 。
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生态设计是面向产品的整个生 命周期，是“从摇篮到再生”的系统设 计，是从根本上防止环境污染、节约资 源和能源的一种重要的系统过程。
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二、生态设计的基本原则 生态设计就是“设计+LCA”
图5-3 生态设计的概念
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材料再生循环过程中的杂质分离技术和杂质无害化技术
1）钢铁的杂质分离技术和杂质无害化技术
钢材种类十分繁杂，含有多种合金 元素（如Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、V、Ti、 Zr等）。大量金属制品还含有金属涂层（如 Sn、Zn）和非金属涂层（如油漆、塑料等）， 加上回收过程中不可避免地混入的其他材料， 使得回收废钢铁化学成分复杂、品质低劣， 用来生产新材料必然导致材料性能的劣化。
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一、金属材料生态设计
合金系中组元越少，合金的再生循环性能越好
超级通用合金和简单合金的概念
就是使用合金元素种类 最少，且能满足各种用 途要求的标准合金系
组元组成简 单的合金系
固溶体合金
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可通过改变成分配比在大范围内改变性能 的合金系主要有以下几种：
（1）Fe～Cr－Ni钢 通过改变Fe、Cr和Ni的相对含 量，可以生产出从铁素体钢到不锈钢的一系列钢种， 其组织和性能可以在很大范围内发生变化。
（2）Ti合金 改变Ti、Al和V的相对含量，可使合 金的组织与性能发生很大的变化
（3）Cr-Mo钢 高温蠕变强度主要和铁素体基体中的
置换溶质元素Cr、Mo的固溶量成正比，与碳的固溶度
成反比。而碳化物的沉淀强化作用与置换元素的固溶
强化作用相比，对整个断裂寿命的影响很小。
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简单合金在成分设计上应有以下特点：
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钢中杂质元素的去除主要是通过氧化反应 进行。这就是说与氧的亲和力比铁大的元素几 乎都可以从钢水中除去，而比铁更难以氧化的 元素则几乎全部残存于钢水中。因此，废钢中 的杂质（合金）元素可以分为以下几种类型：
从时间轴向分类如下： 1）初步设计（概念设计）。 2）详细设计（基本设计）。 3）生产设计。
从空间轴向分类如下： 1）材料设计。 2）功能设计。 3）外观设计。
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根据不同要求，生态设计有两种类型：
（1）现有材料生态化的再设计 （2）新型生态材料的生态设计
生态设计方法主要有系统设计、模块化设计、 公理化设Leabharlann Baidu、虚拟拆卸设计、长寿命设计及再生设计 等