1材料与环境

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1、1材料与环境,1.1材料及其分类 1.2材料与环境的关系 1.3环境材料及其判据 1.4环境材料与新材料、传统材料的关系 1.5环境材料学,1.1材料及其分类,材料：用来制造各种产品的物质。,按化学键类型分类的三大材料,(1)、金属材料金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。金属材料原子间的结合键基本上为金属键 金属材料分成两大部分：黑色金属：铁和以铁为基的合金如钢、铸铁和铁合金；有色金属：黑色金属以外的所有金属及其合金。黑色金属材料的工程性能比较优越，价格也比较便宜，是最重要的工程用金属材料。其中，以铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90%以

2、上。有色金属是重要的特殊用途材料，分为轻金属、易熔金属、贵金属、铀金属、稀土金属和碱土金属。,(2)、无机非金属材料无机非金属材料是一种或多种金属元素与一种非金属元素如O、C、N等的化合物，主要为金属氧化物和金属非氧化物，不含CHO链。氧原子与金属原子化合时形成很强的离子键，同时也存在一定成分的共价键，但以离子键为主。如MgO晶体中离子键占84%，共价键占16%。也有止些特殊陶瓷以共价键为主，如SiC。无机非金属材料是人类应用最早的材料，也是用量最大、用途最广的类材料。它脆性大，但坚硬、稳定，一般都有良好的绝缘、绝热性能，可以制造各种工具、用具，可以作为结构材料，是工程结构体中应用最广的一类材

3、料，在现代高科技领域中也是重要的功能材料。陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等都是无机非金属材料的重要成员。,（3）、高分子材料由大量分子量特别高的大分子化合物聚合而成的有机材料，亦称聚合物。 有机物质主要是以碳元素（通常还有氢）为主，在大多数情况下，碳元素构成大分子的主链。大分子内的原子之间通过很强的共价键结合，而大分子与大分子之间由结合力较弱的分子键相连在分子中存在氢时，氢键会加强分子间的相互作用力。 高分子材料具有较高的强度，良好的韧性和塑性，较强的耐腐蚀性，很好的绝缘性及重量轻的优良性能，是发展较快的一类结构材料。但这类材料的耐久性和耐高温性能普遍较差。高分子材料的种类很多，天然的高分子材料有

4、皮、毛、丝、天然橡胶、织物纤维、木材等；合成的高分子材料，分为塑料、橡胶和合成纤维三大类,（4）、复合材料 狭义的复合材料是指有机纤维与其它有机材料复合而成的材料如玻璃钢。 广义的复合材料则泛指两种或两种以上不同材料的复合而成的材料。结合键非常复杂。单一材料复合后可克服单一材料所具有的固有缺陷，结合不同材料的优良性能，取长补短，使复合后的材料在强度、刚度、耐腐蚀性等使用性能方面比单一材料优越。这是一类特殊的材料，具有广阔的发展前景。,1.2材料与环境的关系,（1）、资源 所谓资源是指维持人类生命和生活所必须的和经常利用的物质。 地球上的空气、水、土地、森林、动植物、矿产以及其它可被人类利用的物

5、质，都是人类赖以生存的资源。材料生产过程要消耗大量资源，而且所需资源几乎全部都是矿产资源。当然，材料不同，生产过程所用的矿产资源的种类、数量不同，获得的材料的性能、用途不同，可满足不同的社会需求。矿产资源按地质形成过程可分为三大类：金属矿产：用于生产金属材料非金属矿产：用于生产无机非金属材料能源矿产：用于获得燃料和有机化学组分，进而获得高分子材料。,矿产资源是不可更新资源。在地壳中，化学元素和矿物并非均匀分布，而是呈分散状态存在着，经过亿万年的地球化学变化，地壳中含量比较丰富的元素或矿物才能在特定地方沉积形成矿床，成为有使用价值的资源。这些资源一旦被开采，它们就难以恢复，因此是不可更新资源。随

6、着人类的不断开采使用，矿产资源的储量会不断的减少乃至枯竭。人类一旦知道矿产资源的分布和储量，就很容易根据其用量或消耗速度来预告它的耗竭年限。 矿产资源的耗竭年限=储量年消耗量。根据罗马俱乐部的推算，如果人类消耗矿产资源的速度按指数增长，主要矿产资源耗竭年限如表1.1所示。 表1.1 罗马俱乐部对主要矿产资源耗竭年限推算,为了延缓矿产资源的枯竭年限，使人类社会在地球上可持续发展，人类可在以下几个方面进行努力： 节约使用矿产资源，充分利用低晶位矿产资源，从而扩大矿产资源潜在储量； 继续找矿、探矿，发现更多的矿产资源，其具体数量很难预测； 充分利用废物资源，实现废物循环利用； 积极寻找代用品。,(2

7、)、能源,材料生产消耗的能源约占工业总能耗的3040%，是能源的主要消耗者。根据能的形式，能源可分为： 太阳辐射能：太阳。 化学能：煤、石油、天然气、木材等； 运动能：流水、瀑布、潮汐、风、人造水坝等： 地热能：气泉、热泉、地下热水等： 核能：铀、钍、氘等。 根据能的利用性能，能源可分为一次能源和二次能源。 一次能源：又称为原生能源，是指在自然界中以现存形式存在的能源，如风、太阳能、矿物燃料、核能等。 二次能源：又称次生能源，是一种需要依靠其它能源来制取的能源，如电能、汽油、酒精等。在次能源中，不会因利用而减少的能源称可再生能源，如风、太阳能、草木燃料等；随着使用和消费而不断减少的一次能源又称

8、非再生能源，如矿物燃料、核燃料等。,不同形式的能源，能量大小表示：能的品位。 一般，能的品位用单位能量的熵值表示。熵表示体系的混乱度或无序程度。熵值越大，体系的混乱度越大，体系对外做功的能力越小，能的品位越低；相反，熵值越小，体系的混乱度越小，体系对外做功的能力越强，能的品位越高。表1.2 些能的品些，熵/单位能量,在材料生产过程中，外界提供的能源以两种形式表现山来，其一部分用来做功使生产过程产出相应的产品，其它部分以热的形式散发进入周围环境，成为无法利用的热污染。造成了能量损失（能源损失）。 热污染： 它造成了一种能量数量的损失，如材料生产过程能量转换率为60%，则意味着有40%的能量损失：

9、 它是一种能量品位的损失，即它从高品位的能量转变成了低品位的能量，如化学能转变成了热能。热力学原理告诉我们，宇宙的能量是守恒的，但能量的转换过程造成能量的损失，从有用的高品位的能量如燃料的化学能转变成一种用途小、品位低的热能形式，而低品位的热能永远也不可能反过来再转变成较高品位的化学能，即能量的转换是不可逆的。从这点来看，能源危机并不是能量的减少，而是短缺有利用价值的高品位的能量。材料加工过程，要减少能量的损失，就应当缩短材料的加工流程。加工流程越长，即能量的转化环节越多，能量的损失就越大。,（3）、废弃物,据统计，在国民经济周转中，社会需要的最终产品仅占原料的2030%，7080%成为废物。

10、材料生产过程产生的废弃物是目前对环境影响最大、最直接的因素。 人类每年开发利用的矿产资源多达上百亿吨，矿产资源的大量开发利用对环境造成如下影响：、对土地资源的破坏、由采矿引起的岩石和顶板的块体运动、对地下水和地表水体的影响、对大气的污染、固体废物污染、对海洋的污染、还有与采矿与加工有关的疾病，以及辐射暴露对人体健康的危害等。,1.3环境材料及其判据,所谓环境材料，通常是指同时具有使用性能和最佳环境协调性的材料。其英文名称为：“Ecomaterials”。字面意思：具有环境意识的材料或生态学材料。实质上也就是赋予传统材料优异的环境协调性，要求在环境意识指导下开发新型材料或改进、改造传统材料。环境

11、材料并非指某一种具体的材料，而是一大类考虑到资源、能源和生态环境的材料的总称，这是材料科学和工程发展的必然趋势。环境材料判据：也就是判断标准，可用环境材料定义或可根据定义条件具体化成五个判据：质量判据、经济判据、资源判据、能源判据和环境判据。其中，前两个判据是普通材料均要求的判据，属于材料的共性判据。后三个判据是环境材料所特别强调的判据，也可将它们称为环境性判据。,（1）、质量判据材料是用来制造各种产品的物质。物质能否用于制造产品，是物质能否成为材料的一个重要技术判据。材料的质量是材料能否用于制造产品的先决条件，材料质量只有满足产品制造要求才能用于制造产品。因此，材料质量是材料的一个重要技术判

12、据。由于性能或功能是所有材料的共同要求，因此，质量判据有时又简称为性能判据。没有性能判据就没有材料存在的价值。作为一种材料，如果不考虑其性能或功能，仅追求其与环境的协调性，那么这种材料对于人类而官本身没有多大的存在价值。所以，环境材料也必须考虑它的使用性能。 （2）、经济判据材料的研究和开发必须进行成本分析和经济核算，以确定相应的经济成本。只有通过成本核算，才能找出降低成本的环节，然后寻找改进措施。以最少的投入获得最大的经济效益，便是材料的一个经济判据。近年来发展起来的“价值工程”注重研究材料生产、储存、流通、销售、使用、维护整个过程的费用，这种研究方法，不仅可提高业的经济效益，还可提高整个社

13、会的经济效益。,（3）、资源判据 材料的研究和生产离不开资源的投入。由于矿产资源是有限的，因此，要求单位重量或单位产品的材料消耗的资源量尽可能的少或尽量多的使用可再生资源，这就是材料的资源判据。资源判据要求尽量减少资源消耗，延缓资源枯竭速度，同时也要求研究和开发材料的再生循环技术，提高材料的再生循环能力。 （4）、能源判据材料的生产和使用都需消耗大量的能源，目前消耗的能源主要是煤炭、石油等，它们是有限的矿产资源。在材料整个寿命周期以尽可能小的能源消耗获得尽可能大的经济效益，同时逐步用可再生能源取代目前大量使用的矿物能源，就是材料的能源判据。 （5）、环境判据现代工业生产最直接的危害就是对生态环

14、境的破坏。在材料生产中，不仅要尽可能的减少三废的产生与排放，而且要尽可能地将废弃物资源化和无害化。环境容量的有限性，要求材料在生产、使用、废弃过程重视三废的产生、排放和处置，遵守国际和国内的环境保护法令，这就是环境判据。,资源、能源、三废排放设定一个值：环境负荷如果某材料的环境负荷值该设定值:该材料为非环境材料这个设定值就是判定标准。而标准值的设定以国际和国内的生产技术水平及制定的环境污染标准、等级为依据，但随着科技的发展、人类环境意识的增强，环境污染标准和等级将得到不断修改和补充，故材料的环境性判据也将随之得到不断修改和补充，它的标准肯定越来越严，越来越高。环境材料的判据不是一成不变的，它随

15、着科技的发展，人类环保意识的增强而不断变化，如目前判定一种材料是否为环境材料，主要依据该材料环境负荷值（环境性判据）的大小。,图1.3 环境协调性与使用性能间的平衡性,表1.2环境材料的分类及相关的产品举例,1.4环境材料与新材料、传统材料的关系,环境材料,新材料,传统材料,环境材料,新材料,对社会发展的相对重要性,过去 现在 将来,1.00.50,时间,图1.5 环境材料对人类衬会发展的重要性,1.5环境材料学,环境材料学的主要内容： 基础研究：材料需求与自然环境的变化及其规律、材料的系统设计理论和方法、与环境协调的材料开发理论、低环境负荷的合金理论、无机材料理论和高分子材料理论、材料再生循

16、环的热力学和动力学、材料的环境负荷数据库。 应用研究：低环境负荷材料的开发技术、循环再生材料的开发技术、功能性环境材料的开发技术、废弃材料的综合再生技术、现有材料中的有害元素和枯竭性元素的替代技术、材料中的杂质无害化技术、低环境负荷的工程制备技术和加工技术。评价系统：材料的环境负荷评价系统、材料对自然环境的作用程度评价、现用材料的合理性评价、环境材料的论证体系及其标准、材料再生的合理性评价。 总体来说，环境材料研究包括三个方面的内容：与环境问题对应的材料技术，如治理环境污染的各种材料和技术；环境协调性材料技术，如为防止环境污染而采用考虑环境的替代材料；适应环境的材料设计和评价技术。目前来说，评价技术是其中最为重要的技术。,