孫博學(xué)，劉　驍，龔先政，高　峰

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

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汽車用金屬材料的生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)踐

孫博學(xué)，劉驍，龔先政，高峰

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

摘要：通過綜合使用性能、環(huán)境負(fù)荷和經(jīng)濟(jì)成本3個(gè)因素，建立了基于模糊矩陣?yán)碚摰慕饘俨牧仙鷳B(tài)設(shè)計(jì)多指標(biāo)評價(jià)模型，并應(yīng)用于鋼鐵、鋁合金、鎂合金3種典型車用金屬材料的生態(tài)設(shè)計(jì)。研究結(jié)果顯示，就性能而言，鋼鐵材料的綜合性能優(yōu)于鋁合金材料和鎂合金材料，其性能單一化指標(biāo)分別比二者高8.25%和3.89%；就環(huán)境負(fù)荷而言，鋁合金材料的生命周期環(huán)境負(fù)荷低于鎂合金材料和鋼鐵材料，其環(huán)境負(fù)荷單一化指標(biāo)分別比二者低10.68%和22.59%；綜合考慮不同設(shè)計(jì)因素，針對汽車前端部件制造，鋁合金材料的生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)施效果優(yōu)于鋼鐵材料和鎂合金材料。

關(guān)鍵詞：鋼鐵；鋁合金；鎂合金；生態(tài)設(shè)計(jì)；汽車

1前言

在當(dāng)代“綠色”與“循環(huán)”的發(fā)展宗旨下，“選材革命”已經(jīng)成為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。汽車前端部件制造的耗材以鋼鐵材料為主，而鋁合金和鎂合金也正在逐步被視為可應(yīng)用于汽車前端部件制造的輕型金屬材料[1-4]。

若以物理性能為設(shè)計(jì)因素，則鋼鐵的強(qiáng)度較高，鋁合金的可加工性較好，而鎂合金以密度最低為其優(yōu)勢[5-8]；若以環(huán)境表現(xiàn)為設(shè)計(jì)因素，相關(guān)研究表明[9-12]，鋼鐵在生產(chǎn)階段的環(huán)境負(fù)荷最低，鎂合金在使用階段的環(huán)境負(fù)荷最低，而鋁合金的環(huán)境優(yōu)勢則體現(xiàn)在部件的回收階段。由此可知，即使參照單一因素(性能與環(huán)境)，設(shè)計(jì)過程已涉及難以在物理層面或其它學(xué)科層面統(tǒng)一的多元化指標(biāo)(如，材料強(qiáng)度、可加工性、密度)，如若綜合考慮不同設(shè)計(jì)因素以滿足實(shí)際應(yīng)用中的各項(xiàng)基本需求，設(shè)計(jì)情況將更為復(fù)雜。對這種復(fù)雜性的解決體現(xiàn)了生態(tài)設(shè)計(jì)的核心思想與關(guān)鍵技術(shù)。

本文的研究目的是建立輕量化金屬材料生態(tài)設(shè)計(jì)的規(guī)范模式，以對不同設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)因素進(jìn)行綜合統(tǒng)籌，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性并存的選材設(shè)計(jì)。

2方法與數(shù)據(jù)

2.1金屬材料生態(tài)設(shè)計(jì)方法

2.1.1材料性能指標(biāo)的表征

性能是材料滿足實(shí)際應(yīng)用需求的最根本保證；設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)即是將產(chǎn)品對性能的需求“明確化”，而具體的各類材料則是對產(chǎn)品性能需求的滿足或者說是性能需求的“實(shí)體化”。材料的各種性能在不同應(yīng)用情景下所發(fā)揮的作用亦不相同，其相互間的重要程度也會(huì)隨之發(fā)生變化；例如，鋁合金在用作斷橋門窗框架時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取耐腐蝕性能作為首要設(shè)計(jì)指標(biāo)，而將其應(yīng)用于汽車制造時(shí)，則應(yīng)首先考慮力學(xué)性能。此外，對材料性能的需求程度也因應(yīng)用情境不同而異，例如道路建設(shè)與大壩建設(shè)對混凝土材料的強(qiáng)度需求(即需求程度)間存在明顯差異。綜上所述，對材料性能的表征應(yīng)當(dāng)以實(shí)際應(yīng)用情景為導(dǎo)向。

本研究通過構(gòu)建需求-性能矩陣表示二者間的相互關(guān)系。如表1所示，Wij為性能Pj對需求Ri的貢獻(xiàn)，如果某種性能對某種需求并無貢獻(xiàn)(如材料的耐腐蝕性能與產(chǎn)品對材料力學(xué)性能的需求)，則Wij=0；aPj為性能Pj對產(chǎn)品需求的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，wRi表示不同性能需求在具體生態(tài)設(shè)計(jì)中的權(quán)重因子(相對重要程度)。公式(1)與公式(2)為各參數(shù)的計(jì)算過程。

aPj=W1j·wR1+W2j·wR2+…+Wnj·wRn

(1)

(2)

2.1.2材料環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)的表征與生產(chǎn)成本

生命周期評價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA)是國際上通用的材料環(huán)境負(fù)荷量化工具，也是生態(tài)設(shè)計(jì)的重要依托方法。LCA起源于上世紀(jì)60年代，發(fā)展至90年代時(shí)，逐漸出現(xiàn)若干國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO14040-14049)，使其成為確定產(chǎn)品環(huán)境影響潛力的權(quán)威方法[13]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)與國際環(huán)境毒物學(xué)和化學(xué)學(xué)會(huì)(SETAC)對LCA的定義是：匯總和評估產(chǎn)品、服務(wù)在整個(gè)生命周期內(nèi)的資源投入與污染排放所造成的潛在環(huán)境影響的方法，其中生命周期的含義是與產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的，從原材料獲取、加工制造、投入使用直至最終廢棄的前后銜接的一系列生產(chǎn)消費(fèi)過程。根據(jù)ISO14040所定義的技術(shù)框架，一項(xiàng)完整的LCA研究應(yīng)包括目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評價(jià)以及結(jié)果解釋4個(gè)階段[14]，如圖1所示。

圖1　LCA的實(shí)施過程及技術(shù)框架Fig.1　Implementation procedure and technical framework of LCA

開展生命周期評價(jià)研究意在通過量化材料從 “搖籃”到“墳?zāi)埂边^程的環(huán)境影響，識(shí)別出重點(diǎn)污染類型與污染環(huán)節(jié)，從而為制定相關(guān)環(huán)境政策提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。與此不同，在生態(tài)設(shè)計(jì)中，除了要確定環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)外，還要綜合分析材料的使用性能與經(jīng)濟(jì)成本因素，從而做出面向應(yīng)用的最優(yōu)選擇[15]。由此可見，生態(tài)設(shè)計(jì)在利用“生命周期”這一概念的同時(shí)也對其進(jìn)行了拓展：傳統(tǒng)材料的生命周期包括從制造到投入使用以及報(bào)廢的各個(gè)階段，而生態(tài)設(shè)計(jì)將材料的生命周期延伸到了使用結(jié)束后對設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，通過對生態(tài)設(shè)計(jì)方案的不斷反饋來完善產(chǎn)品的前端設(shè)計(jì)，最終得到最可行的生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)施方案。

除環(huán)境指標(biāo)與性能指標(biāo)外，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本亦應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段予以考慮。經(jīng)濟(jì)成本的核算項(xiàng)主要包括材料生命周期過程所消耗的礦物、能源以及其它工業(yè)中間產(chǎn)品，如公式(3)所示。此外，在進(jìn)行生命周期成本核算時(shí)無需考慮與環(huán)境影響相關(guān)的經(jīng)濟(jì)成本，以避免與環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)的重復(fù)考慮。

C=Ce+Cr+Co

(3)

式中，Ce——能源消耗總成本；

Cr——資源消耗總成本；

Co——其他消耗總成本。

2.2功能單位與系統(tǒng)邊界

2.2.1功能單位的選取

本研究的功能單位選取為整車重為1 445 kg汽車的前端部件，設(shè)定汽車的報(bào)廢公里數(shù)為200 000 km；以鋁合金、鎂合金和鋼鐵生產(chǎn)該汽車前端部件的材料消耗量分別為：61 kg、45.2 kg、82.2 kg。

2.2.2系統(tǒng)邊界的規(guī)范

如圖2所示，不同金屬材料的系統(tǒng)邊界可統(tǒng)一規(guī)范為開采階段、生產(chǎn)階段、使用階段與回收階段；其中，不考慮汽車前端部件在行駛過程中的部件損耗與更換。

圖2　本研究系統(tǒng)邊界Fig.2　System boundary of this study

2.3數(shù)據(jù)來源

2.3.1材料生產(chǎn)、回收階段的清單數(shù)據(jù)

本研究中，材料生產(chǎn)階段與回收階段的清單數(shù)據(jù)源自北京工業(yè)大學(xué)自主開發(fā)的材料生命周期工程數(shù)據(jù)庫[16]；清單數(shù)據(jù)均為企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)，質(zhì)量較高，能夠反映我國材料工業(yè)的真實(shí)生產(chǎn)水平。

鎂合金錠的生產(chǎn)工藝選取為氣體保護(hù)法，數(shù)據(jù)范圍涵蓋原鎂生產(chǎn)、合金制備以及能源生產(chǎn)，鎂合金鑄錠的成材率約為30%～40%，取其平均值35%；鋁合金生產(chǎn)工藝選取為鍛造，數(shù)據(jù)范圍涵蓋原鋁生產(chǎn)、鋁合金熔鑄以及能源生產(chǎn)，鋁合金鑄錠的成材率約為60%～70%，取其平均值65%；鋼鐵生產(chǎn)的清單數(shù)據(jù)范圍包括鐵礦石開采、礦石精選、鐵礦石燒結(jié)、高爐煉鐵、煉鋼、軋鋼以及能源生產(chǎn)，鋼鐵材料的成材率取為97%。

2.3.2材料使用階段清單計(jì)算方法

汽車行駛過程的耗油量與汽車部件的重量呈線性關(guān)系，其解析式如式(4)所示[17]：

F(L)=L×FE(0)×[(1+SW)×(MPO-MPL)/MVO×

df/dm]-1×[MPL(MVO-(1+SW)×(MPO-MPL))]

(4)

式中，F(xiàn)(L)——汽車零部件行駛一定距離所消耗的汽油量(l)；

L——汽車行駛距離(km)；

FE(O)——燃油消耗因子(L/100 km)；

SW——二次輕量化，即由于某種零部件質(zhì)量的減輕或材料的變動(dòng)所引起的其它零部件變化(無量綱)；

MPO——零部件的原質(zhì)量，即使用替代材料前的質(zhì)量(kg)；

MPL——零部件的質(zhì)量(kg)；

MVO——車輛的總質(zhì)量(kg)；

df/dm——燃油效率與質(zhì)量變化的關(guān)系。

根據(jù)設(shè)定的功能單位，行駛距離L為200 000 km，F(xiàn)E(O)選取為普通轎車燃油因子的平均值10.6 L/100 km，SW選取為0.5，MVO為1 445 kg；在汽車行駛過程中汽車質(zhì)量每減少10%，平均燃油消耗率降低6.5%，相應(yīng)的df/dm值為0.65。

2.4性能-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的統(tǒng)一

2.4.1模糊矩陣評價(jià)原理

模糊綜合評價(jià)法是運(yùn)用模糊變換原理，對某一對象進(jìn)行全面客觀的分析，從而解決傳統(tǒng)評價(jià)方法難以統(tǒng)一多維度指標(biāo)的問題[18]。

構(gòu)建評價(jià)對象的因素集合U=(U1,U2,…Un)，評價(jià)集合V=(V1,V2,…Vn)。集合V中的元素是對集合U中相應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分級，即參與評價(jià)的n個(gè)因子的數(shù)值指標(biāo)。依據(jù)集合因素中的模糊信息，建立模糊矩陣，見式(5)：

(5)

式中，rij為元素vj對元素ui的隸屬度,Ri為因素集合Ui的單因素評價(jià)矩陣。

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相應(yīng)一級模糊綜合評價(jià)結(jié)果可表示為式(6)：

Si=Ai×Ri

(6)

式中，Ai表示U1,U2……Un中各因素的權(quán)重。

依據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原理，最終評價(jià)結(jié)果中的最大值Smax即為最優(yōu)實(shí)施效果。

2.4.2因素間權(quán)重因子的確定

對于不同設(shè)計(jì)要素之間的相互重要程度，本文采用層次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)[19]確定幾種生態(tài)設(shè)計(jì)要素的權(quán)重因子。該方法可以緊密地和決策者的主觀判斷與客觀推理相結(jié)合，確保最終設(shè)計(jì)方案的客觀性與合理性。

通過對研究目標(biāo)的理解與認(rèn)識(shí)，建立一個(gè)可將系統(tǒng)分為若干個(gè)層次的多級遞階結(jié)構(gòu)。一般而言，每一層次所包含元素的數(shù)量不超過9個(gè)，如表2所示。

表2　AHP中各標(biāo)度的含義

基于元素間兩兩比較的標(biāo)度，可進(jìn)一步確定相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。本研究選用連乘法對其進(jìn)行計(jì)算，具體過程如式(7)～(9)所示：

(7)

(8)

(9)

式中，bij——第i行，第j列的矩陣因子；

wi——?dú)w一化結(jié)果，即權(quán)重；

B——n×n階判斷矩陣；

Wi——權(quán)重向量；

(BW)i——矩陣B與向量W相乘所得列向量中的第i個(gè)元素；

λmax——最大特征值。

3結(jié)果與討論

3.1環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)分析

3.1.1材料生產(chǎn)階段環(huán)境負(fù)荷的對比

就生產(chǎn)階段而言，不可再生資源耗竭潛力(ADP)、全球變暖潛力(GWP)、酸化效應(yīng)(AP)最大的是鎂合金，鋁合金與鋼鐵材料所造成的上述3環(huán)境影響分別比鎂合金低98.90%和99.21%、59.41%和94.87%、64.25%和99.50%；光化學(xué)煙霧(POCP)、人體健康損害(HTP)最大的是鋁合金，鎂合金與鋼鐵材料所造成的這兩類環(huán)境影響分別比鋁合金低36.06%和99.62%、48.13%和99.92%。總體而言，在材料生產(chǎn)階段，鎂合金所造成的環(huán)境負(fù)荷最高，其次是鋁合金，鋼鐵最低分別比鎂合金、鋁合金低97.17%與57.20%，如圖3所示。

圖3　金屬材料生產(chǎn)階段環(huán)境負(fù)荷對比Fig.3　Comparison of environmental load between the three metals in the manufacturing phase

3.1.2部件使用階段環(huán)境負(fù)荷的對比

由于鋼鐵制部件的重量大于鋁合金和鎂合金部件，所以在部件使用(即汽車行駛)階段，鋼鐵制部件的耗油量高于鋁合金制和鎂合金制部件的耗油量，由此造成的環(huán)境負(fù)荷也高于鋁合金制和鎂合金制部件，如圖4所示。

圖4　3種金屬材料使用階段環(huán)境負(fù)荷對比Fig.4　Comparison of environmental load between the three metals in the use phase

由圖4可知，鋼鐵制部件在使用階段所造成的各單一類型環(huán)境影響與總環(huán)境影響均最大。鎂合金制與鋁合金制部件在使用階段所造成的POCP、ADP、GWP、AP、HTP分別比鋼鐵制部件低43.86%和25.01%、44.02%和24.94%、43.85%和24.71%、42.54%和24.89%、44.61%和24.89%；此外，鋼鐵制部件在使用階段所造成的總環(huán)境影響比鋁合金制與鎂合金制部件分別高78.40%和33.10%。

3.1.3部件回收階段環(huán)境負(fù)荷的對比

回收階段環(huán)境負(fù)荷最高的是鎂合金制部件，這是因?yàn)殒V合金中含有氧化物成分，因此，在鎂合金廢料再使用前必須進(jìn)行成分調(diào)整，以滿足相應(yīng)的使用需求。在回收處理過程中，無論是熔劑法熔煉還是無熔劑法熔煉都需要使用SF6、SO2等含硫保護(hù)氣體防止熔體氧化，而這些防護(hù)物質(zhì)的使用會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生極大的損害?？傮w而言，鎂合金的回收再生過程比鋁合金和鋼鐵更為復(fù)雜，其相應(yīng)環(huán)境負(fù)荷也遠(yuǎn)高于二者。鋁合金與鋼鐵在回收階段所造成的環(huán)境負(fù)荷分別比鎂合金低80.44%和89.82%，如圖5所示。

圖5　3種金屬材料回收階段環(huán)境負(fù)荷對比Fig.5　Comparison of environmental load between the three metals in the recycling phase

3.1.4部件全生命周期環(huán)境影響分析

如圖6所示，在整個(gè)生命周期過程中，鋼鐵制部件的環(huán)境負(fù)荷最大，其次是鎂合金制部件，鋁合金制部件的環(huán)境負(fù)荷最小，分別比鎂合金和鋼鐵低10.68%和22.59%。

幾種環(huán)境影響類型的大小有如下關(guān)系：POCP>GWP>AP>ADP>HTP。在鎂合金的生命周期環(huán)境影響中，POCP占總環(huán)境影響的56.84%，GWP占總環(huán)境影響的22.78%，AP占總環(huán)境影響的15.30%，ADP總環(huán)境影響的4.57%，其余部分是HTP。在鋁合金的生命周期環(huán)境影響中，POCP占總環(huán)境影響的82.77%，GWP占總環(huán)境影響的7.84%，AP占總環(huán)境影響的9.33%，ADP與HTP均較小。在鋼鐵材料的生命周期環(huán)境影響中，POCP占總環(huán)境影響的84.44%，GWP占總環(huán)境影響的7.19%，AP占總環(huán)境影響的8.22%，ADP與HTP均較小。

圖6　不同環(huán)境影響類型間的對比Fig.6　Comparison of different environmental impact categories

3.2性能指標(biāo)分析

3.2.1性能-需求矩陣的建立

根據(jù)汽車對材料性能的基本需求，確定了汽車前端部件的不同需求Ri及其在生態(tài)設(shè)計(jì)中的相對重要程度wRi，從而建立了可表示二者間相互關(guān)聯(lián)的需求-性能矩陣，如表3所示。

表3　汽車前端部件需求與材料性能的對應(yīng)權(quán)重

3.2.2單一化性能指標(biāo)的對比

通過由性能-需求矩陣所獲得的權(quán)重因子對模糊化后的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到鋁、鋼、鎂3種金屬材料用于汽車前端部件的單一化性能指標(biāo)分別為0.715、0.774、0.745，如圖7所示。就應(yīng)用于汽車前端部件而言，鋼鐵材料的綜合性能優(yōu)于鋁合金和鎂合金，其單一化的性能指標(biāo)分別比鋁合金和鎂合金高8.25%和3.89%。

3.3零部件生態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果

3.3.1基于模糊矩陣的生態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果

為了使3個(gè)矩陣能夠在同一維度上進(jìn)行定量比較與

圖7　3種金屬材料的綜合性能指標(biāo)值對比Fig.7　Comparison of the integrated performance indicator between the three metals

加權(quán)求和，進(jìn)行模糊化處理如下：對性能子矩陣進(jìn)行歸一化處理，得到矩陣U1=(U11,U12,U13)=(鋁合金，鋼鐵，鎂合金)=(0.320，0.347，0.333)；在生態(tài)設(shè)計(jì)中，環(huán)境負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)成本屬于“越小越好”的設(shè)計(jì)因素，因此需對二者進(jìn)行取倒歸一化處理(即對其倒數(shù)進(jìn)行歸一化)，得到環(huán)境影響矩陣U2=(U21,U22,U23)=(鋁合金，鋼鐵，鎂合金)=(0.374，0.292，0.334)，經(jīng)濟(jì)成本矩陣U3=(U31,U32,U33)=(鋁合金材料，鋼鐵材料，鎂合金材料)=(0.339，0.313，0.348)。3種材料的評價(jià)矩陣可統(tǒng)一表示為式(10)：

(10)

對于汽車前端部件這一應(yīng)用情景，材料性能對部件需求的滿足為設(shè)計(jì)的首要考慮因素，其次為環(huán)境負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)成本。在這一總原則下，采用層次分析法對3項(xiàng)設(shè)計(jì)因素進(jìn)行兩兩對比，其結(jié)果如表4所示。

表4　生態(tài)設(shè)計(jì)三要素之間的重要性標(biāo)度

以表4中的標(biāo)度為基礎(chǔ)，按照公式(5)、(6)計(jì)算得到w1=(1×2×2)1/3=1.58，w2=(0.5×1×1)1/3=0.79，w3=(0.5×1×1)1/3=0.79，以及歸一化結(jié)果A1=0.5，A2=0.25，A3=0.25。進(jìn)而得到材料性能、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)成本的權(quán)重值分別為0.5、0.25、0.25，相應(yīng)綜合評價(jià)結(jié)果可表示為式(11)：

(11)

式中，S1為鋁合金材料生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評價(jià)結(jié)果，S2為鋼鐵材料生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評價(jià)結(jié)果，S3為鎂合金材料生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評價(jià)結(jié)果。

依據(jù)最大隸屬度原則可知，鋁合金的生態(tài)設(shè)計(jì)評價(jià)結(jié)果優(yōu)于鎂合金與鋼鐵。此外，若采用等權(quán)重方法對各項(xiàng)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行加權(quán)求和，則計(jì)算結(jié)果為：S=(S1，S2，S3)=(0.345，0.317，0.338)，可知S1>S3>S2；這一結(jié)果同樣顯示出選用鋁合金制造汽車零部件比選用鎂合金與鋼鐵更符合生態(tài)設(shè)計(jì)的理念。

3.3.2基于傳統(tǒng)生態(tài)設(shè)計(jì)思想的設(shè)計(jì)結(jié)果

為了表現(xiàn)本研究結(jié)果對生態(tài)設(shè)計(jì)方法的敏感性，在不考慮經(jīng)濟(jì)成本的情況下，采用傳統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計(jì)方法對3種材料進(jìn)行了定量分析，選取W=P/I為評價(jià)基準(zhǔn)(其中，P表示材料的使用性能，I表示材料的環(huán)境影響)，其意義為單位環(huán)境負(fù)荷所產(chǎn)生的性能回報(bào)。

鎂合金的綜合評價(jià)指標(biāo)W1=P1/I1=3.18E+09，鋁合金的綜合評價(jià)指標(biāo)W2=P2/I2=3.42E+09，鋼鐵綜合評價(jià)指標(biāo)W3=P3/I3=2.88E+09。由此可見，與基于模糊矩陣的生態(tài)設(shè)計(jì)評價(jià)結(jié)果相一致，傳統(tǒng)生態(tài)設(shè)計(jì)評價(jià)結(jié)果也支持了鋁合金優(yōu)于鎂合金與鋼鐵這一趨勢。兩種設(shè)計(jì)思想結(jié)果的一致性，增加了選用鋁合金制造汽車零部件最符合生態(tài)設(shè)計(jì)理念這一結(jié)論的可靠性。

4結(jié)論

通過對鋁、鋼、鎂3種金屬材料在典型汽車零部件中應(yīng)用的性能-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)多設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，本文嘗試性地提出了面向?qū)嶋H應(yīng)用的金屬材料生態(tài)設(shè)計(jì)方法及其實(shí)踐步驟，所得結(jié)論如下：

(1) 3種材料的性能對比結(jié)果顯示，鋼鐵的綜合性能優(yōu)于鋁合金與鎂合金，其性能單一化指標(biāo)分別比鋁合金與鎂合金高8.25%和3.89%。

(2) 在所設(shè)定的系統(tǒng)邊界內(nèi)，鋼鐵的生命周期環(huán)境負(fù)荷最高，其次是鎂合金，鋁合金的環(huán)境負(fù)荷最低，分別比鎂合金與鋼鐵低10.68%和22.59%。

(3) 與鋼鐵和鎂合金相比，將鋁合金應(yīng)用于汽車前端部件制造更符合生態(tài)設(shè)計(jì)的理念。

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(編輯蓋少飛)

《中國鎢業(yè)》征稿征訂啟事

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專欄特約編輯聶祚仁

特約撰稿人龔先政

特約撰稿人高　峰

特約撰稿人周和敏

特約撰稿人孫博學(xué)

聶祚仁:男，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。1997年于中南大學(xué)材料系獲博士學(xué)位，2002年9月～2004年3月為日本東京大學(xué)、名古屋大學(xué)客員教授。“長江學(xué)者”特聘教授，現(xiàn)任任北京工業(yè)大學(xué)副校長。兼任國家“863”新材料技術(shù)領(lǐng)域主題組專家，國家自然科學(xué)基金委專家評審組專家；Int.J.LCA(德國)中國區(qū)編委和全球LCA中心聯(lián)盟中方委員，稀貴金屬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，中國材料研究學(xué)會(huì)常務(wù)理事等。獲國家杰出青年科學(xué)基金并“特優(yōu)”驗(yàn)收，入選國家百千萬工程領(lǐng)軍人才，被授予“全國五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆钡?。主要從事有色金屬冶金材料加工及其循環(huán)再造研究。先后主持國際合作和國家“973”課題、“863”重點(diǎn)項(xiàng)目課題、重點(diǎn)基金等20余項(xiàng)，獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)(第1、4)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)(第1、2)和國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(第10)；授權(quán)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)50余件；出版專著、教材4部，論文被SCI/EI收錄百余篇、他引兩千多次。

龔先政:男，1967年生，教授。2006年獲北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)博士學(xué)位，中國材料學(xué)會(huì)環(huán)境材料分會(huì)委員。長期從事生態(tài)環(huán)境材料研究、材料物質(zhì)流分析、生命周期分析、材料(產(chǎn)品)生態(tài)設(shè)計(jì)、生命周期管理和材料資源加工與利用技術(shù)等研究與開發(fā)，主持國家“863”計(jì)劃、國家支撐計(jì)劃、國家科技條件平臺(tái)建設(shè)、國際合作項(xiàng)目等課題研究，承擔(dān)企業(yè)委托技術(shù)咨詢、服務(wù)和技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，建立中國材料生命周期環(huán)境負(fù)荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及環(huán)境材料研究開發(fā)技術(shù)平臺(tái)。擔(dān)任JCP，EST等國際期刊審稿人，在JIE、SAEInt發(fā)表論文50余篇，SCI、EI、ISTP檢索30余篇，獲得專利2項(xiàng)和軟件著作權(quán)4項(xiàng)，編寫和參加編寫出版著作4部，獲得建材行業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。主要研究方向：生態(tài)環(huán)境材料；物質(zhì)流分析與生命周期分析；材料/產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)。

高峰：男，1978年生，副教授，碩士生導(dǎo)師。中國材料研究學(xué)會(huì)環(huán)境材料分會(huì)第三屆委員會(huì)副干事長、委員，中國有色金屬協(xié)會(huì)鎂業(yè)分會(huì)專家，中國材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)理事，InternationalJournalofLifeCycleAssessment審稿人。主要從事材料生命周期評價(jià)理論與技術(shù)的研究與教學(xué)工作，在面向流程的生命周期評價(jià)方法，鎂、鋁等有色金屬及其材料產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響等研究方面取得重要進(jìn)展。主持及參與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目、科技支撐等重要課題；獲得2012年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2010年省部級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；在國際生命周期評價(jià)、材料領(lǐng)域中發(fā)表論文30多篇；鎂環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)被中國—美國—加拿大“鎂質(zhì)車體前端結(jié)構(gòu)研究與開發(fā)”(MFERD)合作項(xiàng)目、德國宇航中心汽車概念研究院、國際鎂業(yè)協(xié)會(huì)、中國鎂業(yè)協(xié)會(huì)等相關(guān)項(xiàng)目與機(jī)構(gòu)引用和評述。主要研究方向：有色金屬材料生命周期評價(jià)/物質(zhì)流分析；材料/產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。

周和敏：男，1963年生，教授。2002年于北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院獲工學(xué)博士學(xué)位，北京航空航天大學(xué)博士后流動(dòng)站出站。2006年到日本參加JICA項(xiàng)目“提高鋼鐵工業(yè)資源、能源和環(huán)境管理能力”研修。從事于材料加工工藝及新產(chǎn)品開發(fā)研究、節(jié)能以及工業(yè)固體廢渣和低品質(zhì)礦綜合利用工作。完成 “1 422 MPa級高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁鋼筋(PC鋼棒)生產(chǎn)工藝及裝備”開發(fā)，“混凝土用鋼筋焊接網(wǎng)成套設(shè)備”開發(fā)，“高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絲穩(wěn)定化生產(chǎn)”產(chǎn)品和裝備開發(fā)等；參加國家“863”項(xiàng)目“材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價(jià)研究”、國家科技支撐項(xiàng)目“循環(huán)經(jīng)濟(jì)與清潔生產(chǎn)技術(shù)的清單優(yōu)選、技術(shù)政策與標(biāo)準(zhǔn)體系”等項(xiàng)目的研究工作。已發(fā)表論文32篇；獲省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)4項(xiàng)，發(fā)明專利和實(shí)用新型專利16項(xiàng)。主要研究方向：高品質(zhì)線棒材產(chǎn)品品種研發(fā)；深貧雜礦、鋼鐵廠固廢和有色冶煉渣處理和綜合利用及處理爐體設(shè)備設(shè)計(jì)。

孫博學(xué)：男，1985年生，2013年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位。主要從事材料生命周期評價(jià)的研究工作，重點(diǎn)研究材料生產(chǎn)流程資源轉(zhuǎn)化效率的熱力學(xué)表征；于國際生命周期雜志(IntJLCA)等國際重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文多篇，其中SCI收錄4篇。主要研究方向：基于理論的資源耗竭表征；多元素共生冶金系統(tǒng)的資源轉(zhuǎn)化解析。

Practicing Eco-Design in Metal Materials for Automobile

SUN Boxue, LIU Xiao, GONG Xianzheng, GAO Feng

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

Abstract：Through integrating three designing factors, i.e., physical performance, environmental load, and economic cost, this study tentatively established a fuzzy-matrix theory based eco-design model for metal materials, and applied this model to the eco-design of three typical metal materials for automobile, i.e., steel, aluminum, and magnesium. The results show that, regarding the physical properties, steel is more advantageous than aluminum and magnesium towards the demand of automobile industry, and steel’s integrated indictor of physical-performance is 8.25% and 3.89% higher than those of aluminum and magnesium, respectively; with respect to the environmental load, aluminum is more advantageous than steel and magnesium, and the single score of life cycle assessment of aluminum is 10.68% and 22.59% lower than those of magnesium and steel, respectively; in general, integrating various designing factors, the eco-design implementation effect of aluminum is more conspicuous than those of steel and magnesium towards the application in automobile industry.

Key words：steel; aluminum alloy; magnesium alloy; eco-design; automobile

中圖分類號(hào)：X820.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2016)03-0197-07

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.05

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃(2013AA031602)

收稿日期：2015-09-22

第一作者：孫博學(xué) ，男，1985年生，助理研究員，Email：sunboxuexx@163.com