材料和产品的生态设计.ppt
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1、第五章 材料和产品的生态设计,2,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,3,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。,4,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,5,提高环境效益的策略有以下3条:防止污染、废弃物减量、绿色生产、绿色技术;生态环境设计;再利用与再生(循环式)。有研究者认为,生态设计应包括和两条。,6
2、,图5-1 现代设计内容及目标示意图,7,5.1 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)。,8,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
3、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;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适。,9,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。,10,二、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,11,生态设计产品的综合价值指标,Performance,Cost,Impact,排除C,环境效率,排除I,性能最好,成本最低,12,三、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
4、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(4)易于分离(5)减少多样性,13,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,14,2生态设计方法与过程,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。,15,根据不同要求,生态设计有两种类型:,(1)现有材料生态化的
5、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、公理化设计、虚拟拆卸设计、长寿命设计及再生设计等,16,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。,17,4.2 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:减少合金元素而保持高性能;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;再生过程中易于分离和无二次污染。,18,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
6、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,一、金属材料生态设计,19,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)FeCrNi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。,20,简单
7、合金在成分设计上应有以下特点:合金组元、规格简单,再生循环过程中易于分选;原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素。尽量不使用环境协调性不好的合金元素。,21,研制简单合金时应遵循以下两原则:在维持合金高性能的前提下,尽量减少合金组元数;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。,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。,22,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)。,23,材料再生循环过程中的杂
8、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。,24,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:几乎全部残存于钢水中的元素,如Cu、Ni、S
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