材料科学与工程导论-第1章-材料与社会(3)

②再生利用率高或可降解化和可循环利用； ③在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿 命周期 中均与环境协调共存。
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§1.3 材料与生态环境
途径： 或开发新材料; 或改进、改造传统材料（达到节约资料 并与环境协调）。
4倍因子理论：半份消耗，倍数产出→其结果4倍 产出（同样资源消耗水平）。
两大主题：
新材料
高新技术产品的出现
推动社会进步
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§1.3 材料与生态环境
概述
长期以来，人们主要是依据应用对象对材料提出的力学 性能和功能要求对材料进行开发，而很少顾及材料对生态环 境的影响。
材料对生态环境的影响涉及如下三个方面： 1）生产—传统材料在生产过程中不仅要消耗大量资源和能
源，还向环境中排放大量有害气体、固体废弃物 和污水等； 2）使用—有些材料在使用过程中会释放有毒有害的物质； 3）废弃—废弃后的材料被随地堆放，又成为环境污染源。
人类在步入信息时代的同时，也进入信息材料竞争的时 代。
光导纤维、激光技术和电子技术的发展是促进通信技术 进步的重要因素，而这些都与材料密切相关。正是由于新材 料的发展，20世纪90年代初期人们提出的“信息高速公路” 的设想今天已成为现实。
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1.2.2 材料与新技术革命
3）磁技术的广泛应用 磁性材料在现代化社会中应用十分广
自1972年以来，在联合国教科文组织的协调下，各国政 府相继制定了环境保护措施和可持续发展战略，人类社会的 发展进入了深刻认识生态环境问题，保持生态平衡，追求人 与自然和谐发展的历史新阶段，循环经济的思想愈来愈受到 人们的普遍重视。
（1）生态环境材料设计、研究与开发；
（2）LCA：Life Cycle Assessment 即材料 的
环境协调性评价。
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§1.3 材料与生态环境
● 材料与循环经济
近百年来的工业革命和科技进步促进了现代社会在经 济、文化、军事及社会生活各个方面的快速发展，极大地丰 富了人类的物质文化生活，使人类的生活呈现出绚丽灿烂、 多姿多彩的局面。但与之相伴随的却是人类生存环境的快速 恶化。那么，人类社会如何在持续发展的同时，最大限度地 保护与之相适应的生态环境呢？
总之，经济的发展是可持续发展的条件，社会的发展 是可持续发展的目的，而科学技术的进步是可持续发展的 强劲推动力量。新材料作为科技革命与创新的基石，它的 开发与应用因此而成为可持续发展的保障和前提。没有新 材料的发展及其在社会各个领域中的广泛应用，实现经济 社会的可持续发展无疑是不可想象的。
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1.2.3 新材料与可持续发展
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§1.3 材料与生态环境
尽管发达国家的空气污染、水污染等环境问题得到了一定 程度的治理，但并没有从根本上解决经济发展过程中产生的各 种环境污染。
我国作为发展中国家，人口总多，人均资源少，生态环境 脆弱，发展水平低。因此，在创造经济增长奇迹的同时，努力 改善生态环境状况，寻求环境与社会、经济、人口相协调的可 持续发展道路，具有重要的战略意义和现实意义。
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1.2.2 材料与新技术革命
以电子工程、空间技术、海洋工程、能源工程、生物工 程为代表的第四次新技术革命浪潮同样离不开新材料。
电子信息技术需要高性能电子材料、光电子材料、非线 性光学材料、波导纤维和薄膜材料等功能材料；
能源工程技术离不开耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高可靠 以及寿命可预测的结构材料；
◆ 不但讲科学技术效益、经济效益，还要将社会效 益，将材料科技与产业具体目标和各国、各地区 可持续发展的大目标结合起来。
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§1.3 材料与生态环境
2. 生态环境材料的研发
20世纪90年代以来国际材料与工程的最新趋势。 生态环境材料：同时具有优良使用性能和最佳 环境协调性能的材料。其特征：
①资源、能源消耗少，生态和环境污染小；
§1.2 材料的地位和作用 1.2.2 材料与新技术革命
—材料是高新技术发展与社会现代化的基础和先导。 材料既是人类社会进步的里程碑，又是社会现代化
的物质基础。新材料的研究、开发与应用从根本上反映 着一个国家的科学技术与工业水平。
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1.2.2 材料与新技术革命
1）电子技术的发展 新材料的研发对电子工业的发展无疑起到了决定性
超导电缆
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已安装调试的超导电缆系统
1.2.2 材料与新技术革命
5）航空航天技术的进步 航空航天材料主要包括新型金属材料
（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、 高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料 和新型复合材料
此外，还包括一些功能材料，如涂层材 料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封 材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料 大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少 量是阻尼合金等金属材料。
作用。 电子管 → 晶体管 → 集成电路时代
电子管 —— 晶体管 —— 集成电路
钨、钼电极 47
锗、硅半导体 单晶硅片，高纯钛、SiO2、铬薄膜
1.2.2 材料与新技术革命
2）光通信的产生和发展
信息材料指用于信息的探测、传输、显示、 运算和处理的光电信息材料。
主要包括监测和传感(获取)信息的材料、传 输信息的材料、存储信息的材料、运算和处理信 息的材料。
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§1.3 材料与生态环境
目前，保护生态环境、节约资源和发展循环经济已成为 全人类的共同目标。因此，材料的生产、使用和废弃都必须 考虑其与生态环境的关系，必需加强研究材料-环境-社会三 者间的相互关系，注意材料开发与生态环境的和谐，确保人 类社会的可持续发展。
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§1.3 材料与生态环境 工业”三废”
1.2.3 新材料与可持续发展
1）新材料在相关产业部门的使用，大大降低了这些部门的 生产成本，提高了劳动生产率和产品的质量与竞争力，对 经济发展起着不可估量的作用。
2）另一方面，新材料在社会生产各领域中的广泛应用还 大大节省了地球上十分有限的不可再生资源，延缓了其衰 竭速度，降低了生产中的能量消耗，最大限度地减少了环 境的污染，维护了生态平衡。
稀释及转化； 第三，环境为人类的生产和生活提供精神享受。
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§1.3 材料与生态环境
由于资源Βιβλιοθήκη Baidu度消耗、人口激增以及环境污染等影响， 目前全球有十大环境污染问题，包括：
– 生物多样性日益减少； – 全球气候持续变暖； – 森林面积锐减； – 大气污染状况持续恶化； – 水体污染日趋严重； – 固体废弃物污染不断增加； – 酸雨蔓延； – 海洋污染日益严重； – 臭氧层不断破坏； – 土地荒漠化趋势加剧。
3）为了解决金属资源的枯竭问题，人们发展了各种高分子 材料、复合材料和先进陶瓷材料，它们中的许多材料，像 玻璃钢、纤维增强塑料、氮化硅陶瓷，其强度、耐高温和 耐腐蚀性能已远远超过金属材料，成为飞机、火车、桥梁、 发动机的关键部件。
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1.2.3 新材料与可持续发展
4）为了减少矿物燃料燃烧时造成的环境污染和温室效应， 人们将目光转向清洁、高热值的新能源载体——氢。为此， 人们开发了镁系、稀土系、钛系、锆系等新型贮氢合金，用 于氢的存贮、运输和提纯。
•第二次技术革命 19世纪末 电的发明和广泛应用为标志 远距离输送电材料以及通讯、照明用材料
•第三次技术革命 20世纪中期 原子能应用为主要标志 合成材料、半导体材料等大规模工业化、民用化
•第四次技术革命 20世纪70年代 计算机，特别是微电子、生物工程和空间技术为主要标志 相关的新型结构与功能材料
§1.3 材料与生态环境
环境是人类周围一切物质、能量和信息的总和。环境污 染的实质在于人类的经济活动索取资源的速度超过了资源本 身及其替代品的再生速度，同时向环境排放废弃物的数量超 过了环境本身的自净能力。
对人类活动而言，环境一般有三个作用： 首先，环境是各种生物生存的基本条件，为人类从
事生产和生活提供物质基础； 其次，环境对人类经济活动所产生的废物进行消纳、
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1.2.2 材料与新技术革命
中国：我国政府同样高度重视新材料的研发和应用。 1986年，我国提出了“高技术研究发展计划（863计
划）”，即把新材料技术、生物技术、信息技术、激光技 术、航天技术、自动化技术、新能源技术等八大高科技技 术作为重点发展的领域。
1997年，我国又制定了“国家重点基础研究发展计划 （973计划）”，其中同样把新材料的研发放在突出位置。 在各级各类的科技计划中，新材料都是重点支持的领域。
世界各工业发达国家都把新材料作为优先发展领域。 美国：美国商业部公布的一个资料表明，2000年，先进材料
在美国12项新兴技术中的产值居于首位，即在3560亿 美元中，先进材料占1500亿美元，占42%。从全世界 来看，先进材料产值为4000亿美元，占整个新兴技术 产值10000亿美元的40%。 日本：1981年，日本政府选择了优先发展的三个领域：新材 料、新装置和生物技术，并宣称将开发、加工和制造 先进材料作为保持技术领先地位的国家战略的基石。 在日本的未来工业规划的基础技术中，11个主要项目 中有7个项目是基于材料之上的。
1986年，《科学的美国人》杂志指出：“先进材料对 未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要 的，材料科学的进展决定了经济关键部门增长速度的极限 范围。”
自工业革命后，人类社会的进步主要 是材料推动的结果！
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1.2.2 材料与新技术革命 四次技术革命
•第一次技术革命 18世纪后期 蒸汽机的发明及广泛应用为主要标志 高炉、转炉、平炉制造优质钢材的工业化
先进的航天飞行器离不开耐高温、耐低温、耐辐射、耐 腐蚀、耐烧蚀的轻质高强结构材料；
新能源的开发离不开实现能源转换的各种功能材料。
各种材料的制备、加工和应用，无一例外地都需要依赖 适当的手段才能实现。可见，新材料的开发与应用，对人类 社会文明与经济发展，有着不可估量的作用。
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1.2.2 材料与新技术革命
三高一低的结构材料（高强度、高模量、 耐高温、低密度)。
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1.2.2 材料与新技术革命
在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的航天飞机。 应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料。
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1.2.2 材料与新技术革命
材料，特别是新材料与现代文明的关系十分密切，新 材料的重要性是不言而喻的。美国国家委员会的一份研究 报告指出，先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、 安全及经济实力起着关键性的作用。
废水
废气
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废渣
§1.3 材料与生态环境 ➢ 资源开采—生产加工—消费使用—废物丢弃。
➢ 与材料相关的产业既是资源消耗的大户，也是能源消 耗的大户，又是环境污染的主要来源。
思路：
➢ 一个生产过程的输出变为另一个（生 产） 过程的输 入，一个过程的废物变成另一个过程的原料。
➢ 清洁生产、无害循环。
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展思想和发展战略被各国政府和人民广泛接受。
布伦特兰夫人在《我们共同的未来》中对可持续发展做 出的经典表述为：“可持续发展是在满足当代人需要的同时， 不损害后代人满足其自身需要的能力。”
社会经济的可持续发展要求人们及时对科学研究的价值 和技术发展的方向进行评价和调整，而新材料的发展正是适 应了可持续发展这一需求，它在现代社会各领域的应用将极 大地改变传统的经济增长方式和发展模式，成为可持续发展 59 的重要保证。
泛，电视机、计算机，电动机等都离不开 各种磁性材料。
稀土NdFeB永磁合金
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1.2.2 材料与新技术革命
4）超导技术的开发 自1911年发现超导现象以后，到了20世纪80年代，超导
材料所达到的最高临界温度仅有23.2K，还没有脱离液氦温度。 1986年，由于人们发现了氧化物超导体，超导材料才有了重 大突破，此后，超导温度跳跃式地升高到95～100K，已达到 液氮温区。超导技术的引入，将会使许多方面发生飞跃式发 展。
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1.2.2 材料与新技术革命 材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础、
现代科技发展的先导。 我国是材料大国，但不是材料强国。
“神舟六号”飞船始返前后图片
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§1.2 材料的地位和作用
1.2.3 新材料与可持续发展
——新材料是实现人类社会可持续发展的重要保证。 现在，可持续发展的思想作为成为一种新的社会经济发
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§1.3 材料与生态环境
废 物 再 利 用
世界上本没有垃圾，它只是没有被人们认识！ 垃圾只是堆错地方的资源！
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§1.3 材料与生态环境
● 材料的可持续发展战略与生态环境材料
1. 材料的可持续发展战略
◆ 保证材料性能的同时，尽可能节约资源与减少环 境污染，改变片面追求性能的旧观点；
◆ 重视对材料及其产品整个寿命周期对环境协调性 的评价；