第9章 材料经济学(2学时)ppt课件.ppt

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1、UJSDai QX,主要内容 1 材料经济学的几个基本概念 2 材料的循环 3 材料的选用与竞争 4 材料经济分析 基本要求:了解材料循环、绿色材料技术和材料经济 分析的基本概念。 教学课时: 2学时,第8章 材料经济学,UJSDai QX,材料的五个现代判据： 能源、资源、环境、经济和质量,材料的现代判据,8.1 几个概念,UJSDai QX,宏观材料 学,宏观材料学着眼于从整体上分析材料的问题，即将材料整体作为研究对象，作为一个系统，考察材料与社会环境之间的相互作用及关系，分析在环境的影响下材料内部宏观组元的自组织问题。所以，宏观材料学是讨论材料与社会、环境的关系。主要内容是以经济为线索，

2、贯穿材料宏观现象的研究。,UJSDai QX,循环型材料产 业,循环经济的三个基本原则：减量（Reduce） 、再利用（Reuse） 、再循环（Recycle） , 即 三R 原则. 材料产业应适应时代的需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料的利用率、降低生产和使用过程中环境的负担，并且要研究其评价体系和使用方法。用全生命周期思想考虑材料设计与生产是必然趋势。,UJSDai QX,材料经济 学,主要的内容是对材料的生产、应用、交换、分配、研究、发展和规划等活动进行经济效益和社会效益或潜在应用前景的分析和评价。,应用价值价格理论来分析单个经济的经济活动. 材料产品的成本分析

3、, 产品销售的经济评价,材料发展的经济评价,材料选用的经济分析等.,材料的大循环；材料工业的布局、发展规划、技术政策；材料生产结构和消费结构的经济评价等。,宏观材料经济学,微观材料经济学,UJSDai QX,8.2 材料的循环 1 生态材料,定义,生态材料 （Ecomaterials）是主动开发的与生态环境相协调的材料. 目前主要是生物质材料 （Biomass Materials）,主要有四大类：淀粉与可生物降解塑料混炼、二氧化碳共聚物、生物合成可生物降解塑料和生物合成前体再化学聚合生成可生物降解塑料。,生物质聚合物定义：生物质聚合物是由可再生资源（如淀粉、秸杆等）、二氧化碳等为原料生产的聚合

4、物。,UJSDai QX,传统材料到生态材料评价目标的变化,重视环境,功能第一,耐久性,大量消费,废弃,个别特殊,后处理,追求质量,质量适宜,分解性,节能省资源,回收再利用,通用,前预防,UJSDai QX,塑木复合材料（Wood-Plastic Composites，简称WPC）是利用自然作物废弃物的天然纤维填充、增强PVC等热塑性新料或回收塑料的新型改性材料。,自然作物废弃物很广，如木材的下脚料、刨花、木粉，花生、稻米等谷物加工后剩余的糠皮，芦苇、向日葵等农作物的茎、杆等都可用于WPC的生产原料。,主要应用领域：建筑 、汽车装饰、室内装潢，其它物流、交通等行业的隔板、储存箱等。 塑木复合材

5、料为人们同时处理农林业废弃物和工业废弃塑料提供了一条新的思路。全球需求量不断地升高.,例8-1 塑木复合材料,UJSDai QX,2 再生材料,未来再生材料产业将大幅度地替代传统的原生资源材料产业，并以采用价值链为主要驱动力带动整个循环经济的快速发展。,图 循环经济发展模式下的制造业产业链,UJSDai QX,我国二次资源的利用率很低，材料的废品回收总量远低于国外水平。如再生金属铅的比例仅是国外的50%,UJSDai QX,3 绿色材料技术,在产品整个生命周期内，以产品环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性等）作为设计目标，同时要保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。 绿色设计原则被公认为

6、“3R”的原则，即Reduce ,Reuse, Recycle，减少环境污染、减小能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。,绿色设计（Green Design） 也称生态设计 (Ecological Design), 环境设计（Design for Environment）,环境意识设计（Environment Conscious Design）,UJSDai QX,主要强调要重视传统工艺和生产流程的改造，材料生产过程中的节能与环保。,国家政策: 从2005年开始，我国将逐步出台有关政策限制和停止高能耗加工贸易.并分别停止或下调了钢铁初级产品、稀土金属、稀土氧化物、煤炭、有色金属及其

7、制品的出口退税。,很重要的措施是积极开发和采用新工艺、新技术，特别是在传统材料产品产业中，潜力很大。,UJSDai QX,例8-3 粉末注射成形,粉末注射成形（Power Injection Molding ，PIM）是制备三维复杂形状的近终成形技术，是制造各种零件的高效、节能、节材、环境友好、低成本、大批量生产的工艺 .,PIM制备的产品密度高而组织均匀，性能高而各向同性。广泛用于钟表、医疗器械、通用机械、五金工具、电子通信、仪器仪表、纺织机械等许多领域。,UJSDai QX,8.3 材料的选用与竞争 8.3.1 材料选用的基本原则,1) 材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力,2) 材料的

8、工艺性能 加工工艺性能良好,3) 经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资 源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系,5) 其它因素 毛坯选择、生产可能性等,4) 环境协调性 能源资源环境因素,UJSDai QX,8.3.2 各类材料的竞争 1 材料的生命周期,珀尔曲线的数学表达式是新产品销售量的典型曲线：,戈珀资曲线的数学表达式为：,曲线的拐点位置为：t=(lnb)/k，N = L/e , 是不对称的.,曲线的拐点（d2N/dt2）位于t=(lnb)/k所对应的N=L/2, 将曲线分成对称的两部分.,UJSDai QX,2 材料的竞争,材料和事物的生命周期有同样的变化规律，也有孕育期、发展期、

9、成熟期和衰退期. 社会总是选择性价比好的材料，即物美价廉的材料.材料之间的替代曲线类似于生长曲线 . 材料的竞争历来有之，只是在现代社会经济中表现得更为突出、更为激烈。,竞争形式,各大材料类之间的竞争， 材料种类的竞争， 传统材料的改革， 新材料、新工艺的开发等。,UJSDai QX,各大材料类之间的竞争,例8-6 汽车轻量化,首先是普通钢板、管棒材用量明显减少，高强度钢和先进高强度钢的用量增加; 其次，铝合金用量，它是汽车轻量化的重要材料。车身结构、框架、覆盖件和车轮等有大量应用; 三是塑料及纤维复合材料的应用也日益增加，它是汽车轻量化的有效材料。 四是镁合金用量逐年增加，锌铸件不断地在减少

10、。,汽车工业三大问题,油耗、安全和环保,采用高强度轻量化材料和相关的应用技术,UJSDai QX,材料种类之间的竞争,例如： 金属材料大类中钢铁材料之间的竞争; 钢铁材料与非铁金属材料之间的竞争; 各钢种之间的竞争，如高速钢类; 高分子有机材料的不断更新与替换; 绿色有机材料的崛起; 有色金属材料中的铜、铝、锌等之间也都有竞争与替代。,UJSDai QX,传统材料的改进,改进措施主要有优化材料成分、革新或创新制备工艺。,国家标准,相应的国家材料标准和有关工艺标准要不断地更新，特别是有害元素要严格地控制。例如，我国在2005年规定将禁止生产和使用包括低档建筑涂料在内的6大类10种建材产品。 在中

11、国加入WTO后，国家制订的标准更应向国际 化靠拢或采用和国际标准相似的标准要求。,改进材料制备工艺目的较多，提高材料的性能，或提高生产效率，或降低生产成本，更重要的是有些工艺改进后可大为改善能源、环境和资源等指标，朝着绿色加工技术的方向发展。,UJSDai QX,例8-7 粉末锻造连杆,粉末锻造是由粉末冶金和锻造相结合的一种新的金属成形工艺或新材料技术。既是新工艺，也是新材料。,特点,粉末锻造零件的力学性能高，形状与尺寸精度好，生产工艺可靠性高，价格可行，受到广泛的肯定。,2005年在美国底特律举办的美国汽车工程师学会100周年世界大会上，粉末锻造与C-70钢锻造连杆双方发生了激烈的论战 .,

12、UJSDai QX,新材料的开发,新材料开发可以说在世界上是风起云涌。 如能源材料、生态环境材料、电子信息材料、各种功能材料、生物医用材料、航空航天及军用材料等都是世界上研究开发的热点。 即使是传统使用的材料，也进行了巨大的革命，不仅是在传统理论上有了很大的突破，而且在实际应用方面也取得了杰出的成就。 开发的新材料许多是应用在高新技术上，也有很多是替代了传统材料。,UJSDai QX,8.3.3 材料竞争的国际化,如菲利普公司计划在2006年前采用新的投资战略，以实现公司的战略转型，确保其可持续发展的稳定性。不仅要保持其核心技术与许多产品的世界领先地位，同时还将通过专利核心技术等措施实现其利益

13、的最大化目标。,高新技术,经济发展的核心,国家安全的保障,材料开发是关键,国家实力的竞争,材料研究已进入白热化程度,采取新的战略方针/投资策略,UJSDai QX,例8-10 材料生产企业的竞争策略,合并/重组,战略意图: 提高效益,开拓、分化、垄断材料市场,欧洲钢铁集团通过重组, 形成了北方、科罗斯、TK 和意大利里瓦集团四大家.,钢铁产业为例,日本将50家钢铁企业合并重组了新日铁、 NKK 、住友、川畸和神户等五大联合企业.而新日铁又重组了热轧板、冷轧板、冷轧硅钢片为主的生产基地,UJSDai QX,例8-11 国家战略竞争, 争夺制高点,1958年美国国防部就设立了“国防高级研究局”,以

14、新的管理思想和模式鼓励创新研究,创造军事技术的新思想、新方法和新技术.敢于承担风险,愿意资助其他部门淘汰的高风险项目,也支持一些所谓的“疯子项目”(crazy project). 几十年的成就表明,这是一个“成功的风险投资者”,是“美军探索高技术的窗口”.,美国总统办公厅科技政策室在1995年发布的国家关键技术报告中明确指出,新材料技术是关系美国国家经济繁荣和国家安全的七大关键技术之一. 欧洲各国、日本等发达国家都制定了新材料研究和发展规划,政府在经费方面都进行了倾斜.,UJSDai QX,8.4 材料经济分析,材料商品的经济分析符合一般商品的市场流通规则，遵循一般商品的价格经济效益规律，即收

15、益递减律和商品价格规律。可以说，有形的产品都是由各种不同的材料制造的。 零部件或产品选择材料的经济分析是指企业使用材料制造零部件或产品过程的经济分析，零部件材料的选择涉及因素较多，分析也比较复杂。,UJSDai QX,8.4.1 材料经济分析方法1 收益递减律,产出量（g）应是众多投入因素的函数：,当其它因素不变时，某因素对产出量g的贡献可用偏导数表示，这偏导数称为该因素对g的边际产出。因此，,函数g(x)是其它投入量不变时就产出量g与x的关系，叫做产出函数或收益函数。,UJSDai QX,求获利最大时的投入量x ：,即曲线的切线斜率为1时的x ,对应图中的C点。如取平均每投入单位x获利最大为

16、判据，则：,切点B满足这个条件 . 用投入的平均产出（g /x）及边际产出（dg/dx）作判据，两者所获最大利润所对应的x值是不同的。,UJSDai QX,2 商品价格,商品价格是由买卖双方共同确定的。如图9.16所示，由买方的需求曲线（DD）和卖方的供给曲线（SS）的交点A来确定价格。,设消费者要消耗商品1，2，3，n，消费量分别为x1 ，x2 ，x3 ， ，xn ,则效用u是它们的函数，即：,类似于前面的投入与产出关系一样，获得i商品的效用为,UJSDai QX,3 材料的成本效益分析 1) 材料单位成本分析,式中，M为材料的单位成本，F为后道精加工及装配调整的单位成本，L为每一件产品对劳

17、务及固定成本所承担的分额（可用单位时间的成本表示），R为这一批量的生产效率。总生产成本为P，工具和设备费用为T，N为生产件数量，与单件有关的成本为X . 比较两种不同的工艺，可得到图9.17所示的两条曲线.,UJSDai QX,可得到一临界值NC ：,只有产量达到NC值时，采用先进生产工艺才有经济效益。,当批量N很小时，以降低工具设备费用T为选材依据.,UJSDai QX,2) 材料的价值分析 如果设V为价值，Fu代表功能，C为成本，则价值分析可表示为：,这也就是现在常说的性价比。这里的材料功能Fu是指零件的主要性能技术要求， C是零件材料的成本。,上式也用于产品. 就机械产品而言，无论是提高

18、产品功能Fu ，还是降低成本C，都与材料的选用有直接关系，可根据不同材料的功能特性和单位成本价格来进行比较决定选择。,UJSDai QX,3) 材料的技术经济评价指标 （1）对提高最终产品性能程度的评价 （2）材料的直接经济效益评价 （3）间接经济效益评价 （4）对降低制造成本的评价 （5）对节约能源程度的评价 （6）对提高产品生产竞争能力和引进技术的消化吸收能力的评价 （7）对促进并提高技术水平的评价 （8）对提高资源利用程度的评价 （9）对环境影响程度的评价 （10）材料的再生利用循环程度的评价,。,UJSDai QX,材料技术经济评价指标的计算公式为：,a评价系数,K权重系数 .可根据实

19、际情况科学而合理地确定。评价方案确定后，就由专家组来打分评定。权重系数是经专家评分后取的平均值，,材料技术经济评价体系对预选的几种材料进行半定量分析，将更能帮助正确地评价和选择材料，也可用于对某种有发展前途的材料进行预测评价。,UJSDai QX,8.4.2 材料经济的能源与环境因素,材料的环境协调性:,首先要符合节约能源、资源的原则,其次是减少对环境的负荷,第三是容易回收和循环再生利用,符合人与自然和谐发展的基本要求的，是材料产业可持续发展的必由之路。,UJSDai QX,例8-12 无铅焊料的研究开发,禁令发布,无铅焊料研究开发，国际竞争非常激烈。欧盟发布的关于在电子电器设备中禁止使用某些

20、有害物质指令中要求2006年7月1日后，投放欧盟市场的电器和电子产品不得含有铅、汞、镉、六价铬、聚溴二苯和聚溴联苯等6种有害物质. 铅是毒害之首。,目前状况,目前，世界上申请了无铅焊料的专利已有几十个。尽管很多，但这些专利范围的成分还没有达到最佳性能，许多还不能满足所有的应用要求。,UJSDai QX,我们必须有强烈的意识，保护环境和节约资源与能源。,不容忽视的事实,最近20年来外国企业在中国投资有很多是涉及环境污染和消耗能源、资源的问题。 例如，日本有污染的产业在外国投资中有三分之二在东南亚和拉丁美洲；在20世纪80年代初美国在发展中国家的投资就有35%危害生态和环境的。美、日等国以及港澳地

21、区的化工、电镀、冶金、制革、漂染等污染严重行业，相继落户在中国大陆珠三角和长三角地区。,现在中国应当说:为了子孙后代，拒绝污染产业和掠夺能源、资源的产业!,UJSDai QX,8.4.3 材料经济的潜在效益,对材料的发展，特别是新材料的研究开发，也要有高瞻远瞩的目光。同时要充分认识到材料的开发到应用，是有一个过程的。 有的新材料、新技术的孕育期还是比较长的。如超导技术和超导材料的研究和开发过程。,UJSDai QX,小 结,循环而可持续发展的经济是世界发展的潮流,而发展循环的材料产业是一大关键. 材料的经济性不仅是要考虑直接的经济利益,更为重要的是要融入材料的环境能源资源等因素.,材料的成本经济效益不仅仅是材料本身的价格,更重要的是体现在材料的零件成本,材料的成本分析还要考虑环境负荷能源消耗和资源情况.,