环境材料1

环境材料是在20世纪90年代，为了保持社会可持续发展而提出的一种新的材料研究学科，是环境科学与材料科学的交叉学科。

第一章绪论当前最关注的三大问题：资源、能源与环境都与材料有密切关系。

材料是人类社会进步和人民生活水平提高不可缺的物质基础。

生产材料是消耗资源与能源的大户，也是造成环境污染的主要源头，但是材料又是开发能源和治理环境污染的重要保障。

前言一、材料在人类社会发展中的作用1、以材料划分人类发展的历程材料与文明:石器时代、青铜时代、铁器时代、电子材料时代（Si）2、材料在人类社会现代化过程中发挥了关键作用人类社会现代化的主要标志：工农业生产实现电气化和自动化，劳动生产率大幅度提高；人类活动的全球化和立体化；现代农业则是依靠科学技术的进步，逐步从以经验为基础的农业改造为以科学为基础的农业。

石墨变金刚将石墨放在1500℃到2000℃的高温和4~5万个大气压的装置中，在催化剂的作用下，就能把石墨的结构“改造”成金刚石，黑黝黝的石墨摇身一变就成了光灿灿的“人造宝石”了。

超塑金属某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素，就可以使它们变得象“软糖”或“粘糕”—样，只用很小的力，就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚至几千倍，随你加工成什么形状。

人们形象地把这类金属称为“超塑金属”。

例如，纯镍、铁镍铬合金、钛合金等。

超塑合金槽筒将金属镍和钛以9:11的比例掺合在一起，如果在某一较高温度下，用这种材料做成一根笔直的金属丝，冷却后，把它随意地盘卷起来，只要用火一烧，就会立即恢复到原来的笔直形状。

记忆合金形状记忆合金是材料家族中的一个后起之秀，由于它的奇特性能，人们已经给它派了一些恃殊用场。

如航天器上体积较大的天线、新型发动机……卫星“避火衣”外表燃烧形成牢固多孔的碳化层，成为一种良好的隔热层，同时表面燃烧时放出大量气体，一方面把热量带走了，另一方面在回收仓外面形成了一个气膜保护层，也起到隔热作用。

“瞬时耐高温材料”，是由浸有树脂的合成纤维布或玻璃布等高分子复合材料在一定的温度和压力下固化而成的。

航天飞机的防热盔甲一种新型人造耐高温陶瓷材料，以纯度99.7%、直径为1~1.5 m的石英纤维加水混合成浆状，倒入模具中脱水加压成型，然后浸胶体石英，干燥后在1290℃的电炉中烧成。

再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，最后粘贴到航天飞机的铝合金蒙皮上，把外表严严实实地封盖起来，就象给航天飞机穿上了一身防热盔甲。

扫描隧穿显微镜1990年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心科学家，经22小时的操作，把35个氙原子移动到位，组成IBM三个字母，加起来不到3nm。

为实现交通的立体化，就需要高性能的飞机，一般来说：飞机性能的提高，2/3靠材料。

航空发动机对材料的依赖程度更高，达到80％以上，除高比强度和高比刚度，还要求耐高温、抗疲劳、抗氧化和腐蚀能力。

喷气发动机起源于上世纪40年代初，当时的工作温度在700℃左右，而今民用机接近1500℃，而军用机在2000℃左右。

这就要求发展耐高温材料(高温合金)。

科学技术对农业的增产也是决定性的。

利用锇作为催化剂，哈伯(Haber)于1909年合成了氨作为肥料，1940年发明的除草剂，及采取灌溉、农膜育苗及机械化作业等措施，可使粮食大幅度增产。

目前，再加育种技术，亩产吨级以上，但是化肥用量过大，我国占世界7％的耕地用了1/3化肥，造成资源浪费和环境污染。

二、材料在开发过程中所遇到的问题及对策金属材料有资源枯竭问题向海洋要金属:经过亿万年的地球表面的风化和雨水冲刷，海水溶解各种金属，有的浓度很高，如Mg(1536g/m3)，Li(0.192g/m3)等。

A：海水中溶解金属含量20世纪初，有机合成材料的出现也是人类社会现代化重要标志之一。

1975年按体积计算，世界合成树脂产量与粗钢体积比达1.18:1，美、德分别达2.85:1和1.94:1。

对合成有机材料来说，目前以石油为主要原料，正在研究以天然气或煤为原料的流程，但是从全世界范围来看，它们可供开采的年限有限(石油40年，天然气62年，煤225年) 。

当然，近年来对甲烷水化物颇受重视，其储量可超过现有化石燃料资源的总和，但距实用化还很远，而且CH4和燃烧产物CO2都加剧温室效应。

一个可行的有机物来源是通过光合作用，在地球上产生绿色植物和海藻类，每年可贮存6×1017kcal，合成有机物约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍；生物质能是固定CO2的产物，每产一吨生物质能，可减少相当于化石能源2吨温室气体的排放。

有机材料有些无机非金属资源也是有限的，如水泥所需原料在中国仅供30~40年之用，因此开发新型建材也是当务之急。

至于工程陶瓷如Si3N4、SiC等，资源丰富，但需提高韧性，降低成本，扩大应用。

近年来岩石的用途不断扩大，如玄武岩、蒙脱土等，为材料的开发开辟了途径。

无机非金属材料能源形势：UNDP估计的能源两种可能的变化现代能源主要出自化石能源(>80%)，一直到本世纪中叶，化石能源仍占主导地位，因此提高燃烧效率，减少污染仍为最主要课题。

从长远看联合国开发计划署（UNDP）估计到本世纪末有两个可能结构变化。

能源太阳能辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。

但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。

太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！几种成熟和正开发的光伏转换材料最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%中国生物质能有更大的发展前景：1、中国秸秆7亿吨/每年2、高产作物，如玉米、薯类、速生林等3、乡镇大力发展沼气4、沙漠地区的改造：蒙脱土＋生根剂(保水植木)核能仍是重要能源，也是未来能源希望之所在。

1、无CO2排放2、安全性正在提高3、资源丰富全世界产生裂变能的原料U和Th的资源储量分别为330万吨和400－600万吨，可提供600×1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。

我国铀储量不够丰富，但钍的储量仅次于印度，看来核裂变能仍不失为今后的重要能源。

4、海水中有40万亿吨氘(一升海水中氘的聚变能相当于300升汽油)，称作永恒能源，但难度太大，物理证明可行，工程问题难解决(耐高温、高通量中子辐射材料)，预计50－100年后实现，目前已组织国际合作。

材料在制备过程中的污染是另一个严重问题。

如2004年我国水泥产量约10亿吨，排放8亿吨CO2，80万吨SO2，160万吨NOx和800万吨粉尘，还有大量污水。

此外，一吨钢出2吨CO2，炼焦和有色金属冶炼排放更多的SO2、固体废渣、粉煤灰、煤矸石、尾矿等，每年都以亿吨计，累计起来已有百亿吨，占地面积几百万亩。

固体废渣目前在水泥工业用量很大，SO2一般可回收制硫酸，当前人们最关心的是CO2，因为它是造成温室效应的祸首。

环境污染几种温室气体我国资源利用中存在如下三个主要问题第一，资源利用效率明显偏低，经济增长的方式粗放。

从工业的能源效率来看，8个主要耗能工业的单位产品能耗平均比世界先进水平高了40%以上，而这8个主要的工业部门占工业GDP能耗的73%；工业用水重复利用率要比发达国家低15到25个百分点；矿产资源的总回收率大概是30%，比国外的先进水平低了20个百分点；当然建筑、节能问题，建筑能耗，高能耗的问题也都十分突出。

第二，近年来的资源需求增长加快，资源约束的矛盾不断加大。

从2002年到现在，我们的能源消费的增长速度大于GDP的增长速度。

资源约束的矛盾不断加大，中国的人均资源占有低于全世界的平均水平。

从总量上来看，中国的资源总量是居世界第三位的，但人均资源占有量只居世界第53位，仅为世界人均占有量的一半。

第三，环境污染严重，中国还没有摆脱先污染，后治理的老路。

比较严重的环境污染，造成了高昂的经济成本和环境成本，并对公众健康产生了较明显的伤害。

三、环境材料的起源和定义自然资源的有效利用传统材料的升级换代开发资源丰富的新材料体系现有材料性能的提高与新材料的开发3.1 环境材料概念的提出90年代初，日本东京大学的山本良一教授等提出了“生态环境材料”的概念（Ecomaterials，由Envrionmental Conscious Materials或Ecological Materials缩写而成）。

按英文字面含义可理解为环境意识的材料或生态材料，也即环境友好型材料或环境协调性材料。

（绿色，环境友好，生态，环境协调，生态环境材料）材料的使用对环境损害的必然性：大规模的生产和人类生存活动所必须的材料总是意味着一定程度上损害生态环境。

为了人类的持久生存和发展，人们所面临的迫切课题，即如何设计和生产将环境负荷减至最低，再生率增至最大的材料。

要考虑材料“生命过程”的完整性，从原材料开采到产品最终废弃的一个全过程。

最初的定义环境材料是指那些不仅具有优异的使用性能，而且从材料的制造、使用、废弃直到再生的整个生命周期（life cycle）中必须具备与生态环境的协调共存性以及舒适性的材料。

比较一致的定义：环境材料是指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需材料。

既包括经改造后的现有传统材料也包括新开发的环境材料。

特别值得注意的是环境材料的概念或定义应当是确定的或不变的，而判别环境材料的标准是随科学技术的进步而发展或变化。

当所有的材料都“环境材料化”了的时候，那么，环境材料这个术语也就完成了它的使命。

环境负荷：是指某一具体材料在其生产、使用、消费或再生过程中耗用的自然资源数量和能源数量，以及其向环境体系排放的各种废弃物（如气态、固态和液态废弃物）的总和。

即材料的环境负荷＝{资源，能源，排放物}环境负荷主要包括：资源摄取量；能源消耗量；污染物排放量及其危害；废弃物排放量及其回收、处置的难易程度等因素。

3.2 环境材料的三个特点先进性：满足功能需求环境协调性（优先争取的目标）舒适性：经济性、可接受性环境材料的主要判别标准（1）节约能源（2）节约资源（3）可重复使用（4）可循环再生（5）结构可靠性（6）化学稳定性（7）生物安全性（8）舒适性（9）有毒、有害替代（10）环境清洁、治理功能3.3 环境材料的研究内容3.3.1 基础理论研究材料的开发、应用、再生过程与生态环境相互作用和相互制约的关系的理论研究。

主要包括:人类的材料需求活动引起的生态环境的变化及规律；环境恶化对人类生存所需材料的质量和数量的影响；与环境协调并适应环境发展的材料开发、应用和再生理论；低环境负担的合金理论，无机材料理论和高分子材料理论；可循环性的材料自分解和分离理论；材料再生循环难易程度的热力学和动力学3.3.2 应用研究：清洁的无污染的材料生产、加工和制造技术基础具有最低环境负担的材料工程新技术和新工艺可循环性的功能材料或结构材料在环境治理中应用技术废弃材料的综合再生技术基础现用材料中有害元素的替代技术自然资源中枯竭性金属元素的替代技术3.4 研究意义观念：培养环境意识的科学工作者，使他们具有新的观念，在材料的设计、制造和使用时首先从人类社会的长远利益出发，从珍惜资源和保护环境的角度来发展新材料和解决目前所使用的材料中的有关问题。