低碳经济与材料科技发展思索

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全球气候变暖对人类的生存和发展具有严峻挑战，由此提出“低碳经济”。所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、新能源开发等多种手段，尽可能地减少高碳能源消耗，减少温室气体排放，[1l达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳经济实质是能源高效利用、清洁利用和低碳或无碳能源开发；核心是能源技术创新、制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。在谈到减排时，不少人首先想到的是可再生资源和清洁能源供应，但这是不完全正确的。减排最大的潜力在于人们开发新材料新技术，如绿色制造技术，纳米材料和纳米技术，碳捕捉及封存技术(CCS)，12]新型电子信息技术，新的钢铁生产方法，清洁煤技术等，这些才是人们应该广泛关注的问题。

一、低碳经济形势下国内外材料科学技术的发展现状

在低碳经济形势下，为争取其经济和科技的领先地位，世界各国都十分重视材料科学技术的应用和发展，把新材料新技术作为科技发展战略的重要组成部分，予以重点支持。美国新材料科技战略目标是保持本领域在全球的领导地位，支撑信息技术、生命科学、环境科学和纳米技术等发展，满足能源、信息等重要部门和领域的需求。美国氢燃料研发主要集中在生产、储存和氢的配送技术及驱动汽车的几乎无空气污染物和温室气体排放的燃料电池技术开发上，研制的高效堆积式多结砷化镓太阳能电池的转换效率达到31％。通过在宇航发动机中增加先进结构材料，把发动机的推重比提高到20，大大降低飞机的重量，节约能源。欧盟新材料科技战略目标是，在航空航天材料、电子信息材料等领域竞争领先优势。欧盟科研公司大力发展光学材料、磁性材料、燃料电池技术、纳米技术、超导体、信息存储技术、钛基复合材料等。通过产品创新和技术创新，在新材料制造装备、加工和应用三个方面来发展低碳经济，并计划到2020年温室效应气体在1990年的基础上至少减少20％。H1日本新材料科技战略目标是保持产品的国际竞争力，注重实用性，在尖端领域赶超欧美。日本对新材料的研发与传统材料的改进采取并进的策略，注重已有材料性能的提高及回收再生。15]在21世纪新材料发展规划中将研究开发与资源、环境协调的材料以及减轻环境污染且有利于再生利用的材料作为主要考核指标。通过开发新的材料科学技术以解决资源短缺和环境污染问题。我国历来重视材料科学技术的发展，在各项国家计划中都给予了材料领域重点支持，如973、863、科技攻关计划等。在低碳经济形势下，我国已形成了比较完善的材料科技体系，在材料领域的研发方面取得了长足进步，某些新材料领域具有明显的资源优势和技术优势，如纳米碳管、有机发光材料、稀土永磁材料等方面进入国际先进行列。但我国自主创新能力弱，缺乏有自主知识产权的新材料产品及技术，严重阻碍新材料新技术的研究发展。因此，我国正通过各方面的不断努力，改进材料的加工制备技术、工艺及装备，大踏步向低碳经济迈进。

二、低碳经济对新材料产业的发展要求

展望世界经济的未来，低碳经济要带动实体经济的发展，必须借助新材料新技术的支撑。低碳经济对新材料产业提…的总体要求是：为推动经济向低消耗、低碳排放的转提供物质基础。具体包括：

1产业结构调整升级。低碳经济形势下，根据传统产业的低碳升级改造和新兴战略性产业发展的需要，新材料产业需要加速调整产业结构，压缩初级材料加工：[业产能，推动产业链向精深升级发展，优化产业结构和区域布局。

2技术创新。制造业的升级对低碳材料的需求层出不穷，必须通过不断的技术创新研发出新型低碳技术，抢占技术主导权，增加产业的柔性和生命力，不断地促进新材料新技术的更新发展。

3优化能源结构改善生态环境。优化能源结构，逐步降低煤炭在一次能源结构中的比例，提高核能、太阳能和风能等清洁、高效、优质能源的比重，以保证经济与环境的可持续发展。

三、材料科学技术在低碳材料领域中的应用前景和发展趋势

(一)碳纤维复合材料

碳纤维是先进复合材料中最重要的增强材料，结构轻质化要求使碳纤维复合材料具有广阔的应用前景。碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造各种宇宙飞行器，[71不但推力大、噪音小，而且由于其质量较轻，所以动力消耗少，节省大量燃料。在汽车行业中，用碳／玻璃纤维混杂增强复合材料可以大大减轻车重，降低成本，减少污染。在电子工业中，研磨碳纤维加入到热塑性树脂基体制得导电塑料，可有效地解决抗静电问题，制成的部件不需要刷导电底漆，可大大降低低本并减少对环境的污染。

(二)新型信息功能材料

随着电子技术飞速发展，新型信息功能材料正向节能环保、智能化方向发展。电子信息功能材料是以宽禁带半导体材料、光电子材料、磁性材料和纳米材料为主导发展方向。光电子材料正由体材料向薄层、超薄层和纳米结构材料的方向发展，[81美国、日本通过研究Ⅱ一Ⅵ族材料技术制得了以激光、红外为主要应用背景的新型高性能光电子材料。利用第三代半导体材料制成的高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源，在光显示、光存储、光照明：等领域中有着广阔的应用前景。电磁屏蔽材料是一种防止电子污染所必需的防护性功能材料，是目前高新技术发展领域中的新型电子材料，其电磁波的屏蔽性能将随着我国电子工业的飞速发展而日益改善和提高。

(三)节能建筑材料

低碳经济中，建筑材料正向轻质化、绿色化方向发展。建筑上常将透明绝热材料与：外墙复合成透明隔热墙，大大减少因对流造成的热量损失。复合保温玻璃具有双重保温性能，可保持室温稳定，降低能量的损耗。纳米微胶囊相变材料通过相变技术在恒温状态下进行吸热或放热，在外界温度变化时能有效地保持室内热环境的稳定性，减少能量的损耗，[91达到建筑节能的目的。太阳能光电材料是太阳能电池与建筑材料复合而成的新型建材，太阳能光电屋顶、太阳能电力墙和太阳能光电玻璃不仅能吸收太阳热能，还能将其转换为电能，支持住宅内部用电，甚至还能将多余电力输入电网。随着太阳能技术的发展，太阳能光电玻璃有望在十年之内成为生态建筑中的主流玻璃材料。

(四)新型能源材料

随着人们对环境问题和能源问题的日益重视，清洁能源已成为一种有市场竞争力的能源形式。氢能源以高效、环保等优势应用于汽车上，但由于制氢和运输困难，尚未获得大规模应用。生物燃油随着柴油机性能的改善，已逐渐贴近了实际应用。镍氢电池是近年来开发的一种新型电池，没有记忆效应，没有环境污染，广泛应用在电动汽车上。燃料电池具有高的能量转换效率且不污染环境，广泛用于通讯、汽车等领域。美国在管型固体氧化物燃料电池(SOFC)研究上处于领先地位，德国SIMENS公司开展了平板型SOFC研究，但由于材料、结构、制造技术等问题，SOFC尚处于技术攻关阶段。高温超导材料作为一种新型节能材料，大幅提高电力生产、传输、分配和利用的效率，具有广阔的应用前景。

四、先进低碳技术促进低碳经济的发展

当今时代，高速发展的工业技术要求加工制造的产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工过程中能耗低、碳排放量低。因此，需要探索先进材料加工技术，使材料由单一的传统型向复合型、多功能型及低碳型方向发展。

(一)无模成形技术

无模成形技术是一种板料的柔性加工工艺，基本无需模具或只需简单模具。该技术成本低，周期短，节省能源，显著提高塑性成形的精度和效率，广泛用于加工小批量多品种产品。在低碳经济形势下，一些新型的板料无模成形技术应运而生，带来巨大的经济价值。旋压是一种典型的连续局部塑性成形工艺，精度高、柔性好、易于实现机械化与自动化、节约材料，是实现薄壁回转体零件少无切削加工的先进制造技术，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子、化工等领域，已成为精密塑性成形技术的重要发展方向。数字化渐进成形是日本学者松原茂夫于20世纪90年代提出的，之后世界各国学者对该工艺的成形过程、成形机理、成形性等展开了广泛的研究并取得突破。金属板料数字化渐进成形技术易于实现自动化，广泛用于航空航天领域，解决钛板零件小批量多品种、回弹大和难成形问题。

成形锤渐进成形是90年代新兴的加工技术，使用刚性冲头和弹性下模，对板材各局部区域分别打击成形所需形状的加工工艺。日本静冈大学对自由曲面的渐进成形工艺、加工路径、工序控制等方面做了比较系统的研究，但我国尚未展开。成形锤渐进成形只是成形形状比较简单的工件，而且成形后留下大量的锤击压痕点，影响制品的表面质量，因而后续需要进一步研究处理。

(二)近净成形技术

近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。它改造了传统的毛坯成形技术，使得成形的机械构件具有精确的外形，高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。近净成形技术是目前制造技术中发展较快的先进技术，使机械产品毛坯成形实现由粗放到精化的转变，使外部质量做到无余量或接近无余量，内部质量做到无缺陷或接近无缺陷，实现了优质、高效、轻量化、低成本的加工，021广泛用于机械零件制造上。美国、日本等利用气化模铸造、树脂自硬砂组芯造型等近净成形技术加工制造汽车模具、飞机用高强超硬铝合金及铝锂合金零部件等，取得了巨大的技术经济效益，如汽车缸体铸件已经做到壁厚在3mm～4mm。计算机的发展、非线性问题计算方法的改进，推动了非线性有限元等技术发展，近净成形正向虚拟制造和网络制造方向发展，并且将由宏观模拟进一步向微观的组织模拟和质量预测方向发展。近净成形技术改善了生产条件，减少对环境的污染，成为一种清洁的绿色生产技术，为可持续发展创造有利条件。

(三)内高压成形技术

目前，减轻重量以节约能耗、降低排放是航空航天领域及汽车工业应对全球能源危机和环保压力的主要措施。采用轻质材料是实现结构轻量化的主要手段，而内高压成形是生产轻质复杂零件的理想方法。内高压成形也称为液压成形工艺，以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向进给把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。美国T．Altan教授主要进行管材液压成形性能、成形加载路径，有限元自适应仿真方面的研究。日本主要研究成形工艺参数和设备性能，极大的提高了管材成形极限。在这方面我国研究起步较晚，用液压成形工艺制造汽车、飞机等机械零件尚处于起步阶段。内高压成形工艺是一种先进的柔性加工技术，用来整体成形轴线为二维或三维曲线的异型截面空心零件，成形精度高、制造柔性化、节省能源、降低材料消耗、节约成本，有着广泛的应用前景与发展潜力。铝合金、镁合金、钛合金室温下成形性差，采用常温液压成形方法很难成形复杂零件，这时常采用热介质成形，㈣即将管材、模具和液体介质加热到一定温度而成形的空心变截面零件，可显著提高管材内压成形极限、增加零件复杂程度，广泛用于航空航天以及汽车领域。根据目前的应用现状，内高压成形正向着双层管的液压成形、拼焊管液压成形和热态介质内高压成形方向发展。

(四)绿色制造技术

绿色制造技术是在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的新型制造模式。绿色制造可最大限度地提高资源利用率，减少资源消耗，降低成本，减少或消除环境污染，实现经济效益和社会效益协调优化。㈣少无切削加工技术是一种精密成形加工方法，可以大大减少机械加工余量，节省能量，目前在机械加工中广为使用。快速原型制造技术则是综合利用激光技术、CAD技术和数控技术而形成的少无切削加工的高新技术，节约资源，减少加工废弃物，是很有发展前途的绿色制造技术，广泛应用于模具制造、产品开发、医疗器械等领域。超高速加工技术是近年来发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。该技术既可保证加工质量和提高加工效率，又能降低能源消耗，减少碳的排放，是绿色制造技术未来的发展方向。虚拟制造技术(VMT)是以信息集成为基础的一种先进制造技术。在虚拟制造环境中生成软产品原型，代替传统的硬样品进行实验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而节省能源和原材料，缩短产品开发周期，降低成本。该技术应用在飞机、汽车等领域，美国波音公司在777新型客机机型设计中，利用VMT和三维模型进行管道布线等复杂装配过程的模拟，获得了前所未有的成功。

五、结束语

低碳经济是世界经济可持续发展的必由之路，也是现阶段社会经济发展的内在要求。在全球气候变暖、环境恶化与资源面临枯竭的形势下，必须将材料科学技术和低碳经济紧密结合起来，开发新材料和先进低碳技术，以促进低碳经济快速稳定的发展。