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材料是人类赖以生存和生产的物质基础。随着科技发展，高质量、高性能的新材料不断出现，但由于对质量和性能的片面追求，伴随着材料的提取、制备、生产制造、使用和废弃过程，耗费大量的资源、能源，并排放大量的废气、废水和废渣[1]。各种统计数据表明：材料及制品的制造、使用及废弃过程是造成能源短缺、资源过度消耗和枯竭及环境污染的主要原因之一。生态环境材料正是在这样的背景下提出来的，是上世纪90年代国际材料科学与工程发展的最新趋势之一，这已在世界各国达成共识，并已逐渐兴起了全球性的生态环境材料的研究、开发和实施热潮。
金属材料作为使用最为广泛的一种材料，对人类的文明做出了巨大贡献，但在开采、生产、使用、废弃金属的过程中，同样也给人类生存环境带来了不利影响。为了趋利避害，要求人们在生产材料时，减少消耗资源和能源，在使用时充分利用其性能，废弃时能再循环利用[2]。也就是要使金属材料能成为生态环境材料，目前最有效的方法是开发其特殊功能，优化使用，即低合金化，较宽的使用范围，促进金属材料的环境协调性。
一、生态环境材料与环境协调性评价
1.生态环境材料
生态环境材料最初是由日本学者山本良一教授于20世纪90年代初提出的一个新的概念。生态环境材料是一个全新的概念，尽管它的研究和开发刚刚起步，但是却显示了广阔的发展前景。生态环境材料是指同时具满意的使用性能和优良的环境协调性，或者是能够改善环境的材料[3]。其中，良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染小，再生循环利用率高。它要求从材料制造、使用、废弃直至再生利用的整个寿命周期中都必需具有与环境的协调共存性。材料的环境负荷就是材料在其整个寿命周期中对人类的生存和生活环境的影响，这些影响主要是指资源、能源的消耗及污染环境的废弃物的排放。在生态环境材料的开发中（包括从设计、生产、使用、废弃、回收各个阶段），都要考虑生态环境问题，力求降低材料的环境负荷。
生态环境材料便是这种考虑材料对生态环境的影响而开发的材料，是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系的前提下提出的新概念，这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求，是材料产业可持续发展的必由之路。
2.环境协调性评价(LCA)
材料的生产过程是一个消耗大量资源、能源，产生大量环境污染的过程，研究如何减少与材料相关的环境污染的过程，研究如何减少与材料相关的环境污染是一个十分重要的课题。生态环境材料能否深入人心，能否将环境意识真正地引入材料科学与工程，其关键在于环境负荷的具体化、指标化、定量化。材料的环境负荷评价涉及材料寿命周期中的环境问题，目前公认的环境负荷评估方法是LCA(Life Cycle Assessment)[4]。
LCA主要包括三个方面：（1）通过确定和量化与评估对象相关的能源、物质消耗，废弃物排放，评估其造成的环境负担。（2）评估这些能源、物质消耗和废弃物排放所造成的环境影响。（3）辨别和评估改善环境的机会。
LCA具体步骤：收集与产品相关的环境编目数据，应用LCA定义的一套计划方法，从资源消耗、人体健康和生态环境影响等方面对产品的环境影响做出定性和定量的评估，并进一步分析和寻找改善产品环境表现的时机与途径。其技术框架如下：
图1 技术框架
3.材料的环境协调性评价（MLAC）
材料的环境协调性评价是将LCA的基本概念、原则和方法应用到材料的环境负荷评价中，与材料或产品的设计相结合。由于与材料相关的环境污染占的比重大，对材料进行环境协调性评价就显得非常重要。典型材料的评价，是众多产品评价的基础，对典型材料进行MLAC可以减少评价的重复。通过评价，促使材料设计者、生产者转变观念。MLAC概念提出后迅速得到了国际材料科学界的认同。评价材料的优劣要根据这一背景，建立新的评价体系，补充新的评价内容。其研究范围不断扩大，从传统的包装材料，容器等产品领域转向各种金属、高分子、无机非金属和生物材料，从传统侧重于结构材料的评价转向对功能材料的评价。
4.金属材料环境协调性评价的重要性
以钢铁材料为例，经过采选、储运、炼铁等过程，平均8t矿石可炼成1t钢；再经过轧制、切削加工，得到约700kg的金属制品。这些金属制品按质量计算，能被有效使用的不到500kg。况且这些金属制品，还有一定的服役寿命，最后都将被废弃而进入环境中，由环境来承担吸收、消纳和分解的任务[5]。金属材料从采矿、冶炼、轧制、产品制造、产品使用，一直到产品报废和材料再利用，始终都伴随着环境协调性问题。因此对金属材料进行环境协调性评价非常重要。
二、金属材料的环境协调性设计
1.材料环境协调性设计的原理
由于传统材料的设计主要是开发高性能材料，结果使材料的组成越来越复杂，造成材料再生循环的可能性越来越小。材料的环境协调性设计是将LCA方法应用到材料设计过程中产生的新概念，它要求在設计时要充分兼顾性能、质量、成本和环境协调性，从环境协调性的角度对材料设计提出指标及建议[6]。
环境协调性设计时在材料孕育阶段就开始自觉地运用生态学原理，使材料生产进行物质合理转换和品质合理流动，使材料的生命周期的每个环节结合成有机的整体。生态设计原则和方法不但适用于生产材料和新产品的开发，也适用于传统材料和传统产品的改进设计。环境协调性设计的生态设计思想如图2所示。
图2 生态设计思想
2.通用合金与简单合金
目前世界上已经正式公布的金属材料及其合金的种类大约有三千多种，仅常用刚就有几百种。这些材料的合金元素类型及其含量是各不相同的。这样，就使金属材料的废弃物再生循环很困难。这些材料的合金元素类型及其含量是各不相同的。这样材料的废弃物再生循环就很困难。这是因为以前设计材料时，基本不考虑材料的环境性，仅追求材料品种的多元化和用途的专门化。如果从生态环境材料的合金化原则出发，传统的思路和方法应该更新。从材料的可持续发展考虑，应该发展少品种，泛用途、多目的的标准合金系列。所以就出现了通用合金和简单合金的概念。
2.1通用合金
合金的种类越多，再生循环就越困难。最理想的情况是所有金属制品用一种合金系来制造。通用合金是指通过调整元素含量能在大范围内改变材料性能，且元素数最少的合金系。通用合金可以使产品的材料种类减少。同时，合金元素数越少，合金的再生循环性能就越好。
例如Fe-Cr-Ni系钢、Ti系合金。
2.2简单合金
简单合金是指组成简单的合金系。通过选择适当的元素，不含有害元素、不含枯竭元素和控制热加工工艺来改变材料的性能。简单合金在成分设计上有几个特点：合金组元简单，再生循环过程中容易分选；原则上不加入目前还不能精炼方法除去的元素；尽量不适用环境协调性不好的合金元素。如日本开发的SCIFER钢。
3.金属材料环境协调性设计
世界上与材料相关的环境污染占到了很大的比例，所以充分研究材料与环境之间的关系，进而改进材料的设计、控制材料的生产过程，对于保护环境有着重要的意义。实际上，几乎所有产品的寿命周期都包含了材料生产的阶段。材料环境协调性评价和环境材料的研究代表着材料科学研究的一个新思路和新方向。从事材料研究和生产人员在工作中应该在传统材料成分、结构、性能、工艺和成本的考虑中加入对材料环境影响的考虑，尽量不断地降低材料造成的环境负担。
对于金属材料环境协调性的设计原则，应考虑以下几个问题：
3.1回归自然，环境材料的综合要求就是节材、节能、污染小、可以再生和高性能。因此，要求对金属材料的设计有一种“回归自然”的设想，就是说，要大力开发少品种、多用途合金，最后是生产几种万能合金，这样特别易于回收和再利用。另外，尽量不采用合金化，而采用控制与优化显微结构的工艺，如细化或超细化晶粒强韧化、复相化，改变相的形状、分布和数量等措施来改善材料的性能。采用复合材料强韧化的方法，也应采用成分单一的复合材料，以使再循环使用时，工艺更简单，从而减轻再循环过程的环境负担。
3.2开发再循环性材料，金属材料是易于循环再利用的材料。若要使金属材料充分扮演好环境材料这个角色，就必须充分利用循环使用的特点以降低环境负担。为此，需要建立两个新的合金设计原则，一是低合金化，即在保持材料性能指标基本不变的前提下，尽量降低金属材料的合金元素含量或合金元素数目；二是非敏感元素的合金化，即研究和开发对某些元素的含量不敏感的显微组织，而这些元素主要来自材料的再生过程，且是杂质元素或不期望元素。对于元素不敏感合金，可以通过晶粒超细化来增大晶界或相界面积，以降低晶界或相界处的夹杂物浓度。考虑到为使金属材料易于再生循环，较为理想的是：某一材料具有较宽范围力学性能与物理性能，且该材料寿命全程中环境负荷小。目前，钛合金是一种很有希望的环境材料，因它具有α、β、α+β、α2、γ等多种晶体结构，其对应的性能也可在较宽范围内调整，但其不足是钛冶金过程环境负荷大。对于复合材料，其再生难度稍大，关键是多相物质难以转变成单一物质的均质体。为了复合材料的再生，一方面，要设法控制复合材料的相界面结构，在一定条件下，通过相界反应，使复合材料能分解成单相物质。另一方面，也对设法将树脂聚合物作为粘接剂引入到复合材料相间，当该材料被加热至高温时，树脂聚合物分解，同时使复合材料分解，以利于再生利用。
3.3时刻考虑环境負担，通常考虑金属材料的环境负担是从制造过程、使用过程和废弃过程3个环节中考虑。现在，多品种、少批量、能源多耗型金属产品需求趋旺，这应引起我们的注意。因此，更要求我们注重制造过程的低环境负担，通过高成品率（高合格率）、低能源消耗、副产品少的手段来达到。使用过程的低环境负担是通过轻质、高刚性（减轻了材料使用量，提高燃料消耗效率来间接或直接降低环境负担）、局部性附加高功能材料（如表面处理、表面改性和复合材料，这样可有效降低能源使用量和材料消耗）、长寿命材料（通过延长材料寿命来延长产品寿命）的使用来达到。而废弃过程的低环境负担则是通过再循环利用来实现的。
三、结语
21世纪是可持续发展的世纪，社会经济的可持续发展要求以自然资源和环境协调性为基础。新世纪人类面临能源、资源危机和环境污染，这些问题严重威胁着人类及生物的生存。特别对于消耗大量资源和能源的金属材料，我们必须充分考虑其环境协调性，加强金属材料的环境协调性设计，广泛采用生态环境金属材料。
参考文献：
[1]李涛，毕站英.生态环境材料及环境协调性评价[J]. 内蒙古科技与经济，2004(4)：67-68.
[2]路学成，崔辉，黄勇.浅论有色金属的环境材料化[J]. 有色金属再生与利用，2004(12)：11-12.
[3]石孝洪，李军，桑雪梅.材料的环境协调性设计[J]. 重庆环境科学，2003，25(7)：54-56.
[4]苏向东，杜键，马亚芹.金属材料的LCA评价方法论探讨[J]. 贵州科学，2003，21(4)：13-16.
[5]王天民.生态环境材料[M]. 天津：天津大学出版社，2000.
[6]山本良一.环境材料（日）[M]. 王天民译.北京：化学工业出版社，1997.
金属材料作为使用最为广泛的一种材料，对人类的文明做出了巨大贡献，但在开采、生产、使用、废弃金属的过程中，同样也给人类生存环境带来了不利影响。为了趋利避害，要求人们在生产材料时，减少消耗资源和能源，在使用时充分利用其性能，废弃时能再循环利用[2]。也就是要使金属材料能成为生态环境材料，目前最有效的方法是开发其特殊功能，优化使用，即低合金化，较宽的使用范围，促进金属材料的环境协调性。
一、生态环境材料与环境协调性评价
1.生态环境材料
生态环境材料最初是由日本学者山本良一教授于20世纪90年代初提出的一个新的概念。生态环境材料是一个全新的概念，尽管它的研究和开发刚刚起步，但是却显示了广阔的发展前景。生态环境材料是指同时具满意的使用性能和优良的环境协调性，或者是能够改善环境的材料[3]。其中，良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染小，再生循环利用率高。它要求从材料制造、使用、废弃直至再生利用的整个寿命周期中都必需具有与环境的协调共存性。材料的环境负荷就是材料在其整个寿命周期中对人类的生存和生活环境的影响，这些影响主要是指资源、能源的消耗及污染环境的废弃物的排放。在生态环境材料的开发中（包括从设计、生产、使用、废弃、回收各个阶段），都要考虑生态环境问题，力求降低材料的环境负荷。
生态环境材料便是这种考虑材料对生态环境的影响而开发的材料，是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系的前提下提出的新概念，这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求，是材料产业可持续发展的必由之路。
2.环境协调性评价(LCA)
材料的生产过程是一个消耗大量资源、能源，产生大量环境污染的过程，研究如何减少与材料相关的环境污染的过程，研究如何减少与材料相关的环境污染是一个十分重要的课题。生态环境材料能否深入人心，能否将环境意识真正地引入材料科学与工程，其关键在于环境负荷的具体化、指标化、定量化。材料的环境负荷评价涉及材料寿命周期中的环境问题，目前公认的环境负荷评估方法是LCA(Life Cycle Assessment)[4]。
LCA主要包括三个方面：（1）通过确定和量化与评估对象相关的能源、物质消耗，废弃物排放，评估其造成的环境负担。（2）评估这些能源、物质消耗和废弃物排放所造成的环境影响。（3）辨别和评估改善环境的机会。
LCA具体步骤：收集与产品相关的环境编目数据，应用LCA定义的一套计划方法，从资源消耗、人体健康和生态环境影响等方面对产品的环境影响做出定性和定量的评估，并进一步分析和寻找改善产品环境表现的时机与途径。其技术框架如下：
图1 技术框架
3.材料的环境协调性评价（MLAC）
材料的环境协调性评价是将LCA的基本概念、原则和方法应用到材料的环境负荷评价中，与材料或产品的设计相结合。由于与材料相关的环境污染占的比重大，对材料进行环境协调性评价就显得非常重要。典型材料的评价，是众多产品评价的基础，对典型材料进行MLAC可以减少评价的重复。通过评价，促使材料设计者、生产者转变观念。MLAC概念提出后迅速得到了国际材料科学界的认同。评价材料的优劣要根据这一背景，建立新的评价体系，补充新的评价内容。其研究范围不断扩大，从传统的包装材料，容器等产品领域转向各种金属、高分子、无机非金属和生物材料，从传统侧重于结构材料的评价转向对功能材料的评价。
4.金属材料环境协调性评价的重要性
以钢铁材料为例，经过采选、储运、炼铁等过程，平均8t矿石可炼成1t钢；再经过轧制、切削加工，得到约700kg的金属制品。这些金属制品按质量计算，能被有效使用的不到500kg。况且这些金属制品，还有一定的服役寿命，最后都将被废弃而进入环境中，由环境来承担吸收、消纳和分解的任务[5]。金属材料从采矿、冶炼、轧制、产品制造、产品使用，一直到产品报废和材料再利用，始终都伴随着环境协调性问题。因此对金属材料进行环境协调性评价非常重要。
二、金属材料的环境协调性设计
1.材料环境协调性设计的原理
由于传统材料的设计主要是开发高性能材料，结果使材料的组成越来越复杂，造成材料再生循环的可能性越来越小。材料的环境协调性设计是将LCA方法应用到材料设计过程中产生的新概念，它要求在設计时要充分兼顾性能、质量、成本和环境协调性，从环境协调性的角度对材料设计提出指标及建议[6]。
环境协调性设计时在材料孕育阶段就开始自觉地运用生态学原理，使材料生产进行物质合理转换和品质合理流动，使材料的生命周期的每个环节结合成有机的整体。生态设计原则和方法不但适用于生产材料和新产品的开发，也适用于传统材料和传统产品的改进设计。环境协调性设计的生态设计思想如图2所示。
图2 生态设计思想
2.通用合金与简单合金
目前世界上已经正式公布的金属材料及其合金的种类大约有三千多种，仅常用刚就有几百种。这些材料的合金元素类型及其含量是各不相同的。这样，就使金属材料的废弃物再生循环很困难。这些材料的合金元素类型及其含量是各不相同的。这样材料的废弃物再生循环就很困难。这是因为以前设计材料时，基本不考虑材料的环境性，仅追求材料品种的多元化和用途的专门化。如果从生态环境材料的合金化原则出发，传统的思路和方法应该更新。从材料的可持续发展考虑，应该发展少品种，泛用途、多目的的标准合金系列。所以就出现了通用合金和简单合金的概念。
2.1通用合金
合金的种类越多，再生循环就越困难。最理想的情况是所有金属制品用一种合金系来制造。通用合金是指通过调整元素含量能在大范围内改变材料性能，且元素数最少的合金系。通用合金可以使产品的材料种类减少。同时，合金元素数越少，合金的再生循环性能就越好。
例如Fe-Cr-Ni系钢、Ti系合金。
2.2简单合金
简单合金是指组成简单的合金系。通过选择适当的元素，不含有害元素、不含枯竭元素和控制热加工工艺来改变材料的性能。简单合金在成分设计上有几个特点：合金组元简单，再生循环过程中容易分选；原则上不加入目前还不能精炼方法除去的元素；尽量不适用环境协调性不好的合金元素。如日本开发的SCIFER钢。
3.金属材料环境协调性设计
世界上与材料相关的环境污染占到了很大的比例，所以充分研究材料与环境之间的关系，进而改进材料的设计、控制材料的生产过程，对于保护环境有着重要的意义。实际上，几乎所有产品的寿命周期都包含了材料生产的阶段。材料环境协调性评价和环境材料的研究代表着材料科学研究的一个新思路和新方向。从事材料研究和生产人员在工作中应该在传统材料成分、结构、性能、工艺和成本的考虑中加入对材料环境影响的考虑，尽量不断地降低材料造成的环境负担。
对于金属材料环境协调性的设计原则，应考虑以下几个问题：
3.1回归自然，环境材料的综合要求就是节材、节能、污染小、可以再生和高性能。因此，要求对金属材料的设计有一种“回归自然”的设想，就是说，要大力开发少品种、多用途合金，最后是生产几种万能合金，这样特别易于回收和再利用。另外，尽量不采用合金化，而采用控制与优化显微结构的工艺，如细化或超细化晶粒强韧化、复相化，改变相的形状、分布和数量等措施来改善材料的性能。采用复合材料强韧化的方法，也应采用成分单一的复合材料，以使再循环使用时，工艺更简单，从而减轻再循环过程的环境负担。
3.2开发再循环性材料，金属材料是易于循环再利用的材料。若要使金属材料充分扮演好环境材料这个角色，就必须充分利用循环使用的特点以降低环境负担。为此，需要建立两个新的合金设计原则，一是低合金化，即在保持材料性能指标基本不变的前提下，尽量降低金属材料的合金元素含量或合金元素数目；二是非敏感元素的合金化，即研究和开发对某些元素的含量不敏感的显微组织，而这些元素主要来自材料的再生过程，且是杂质元素或不期望元素。对于元素不敏感合金，可以通过晶粒超细化来增大晶界或相界面积，以降低晶界或相界处的夹杂物浓度。考虑到为使金属材料易于再生循环，较为理想的是：某一材料具有较宽范围力学性能与物理性能，且该材料寿命全程中环境负荷小。目前，钛合金是一种很有希望的环境材料，因它具有α、β、α+β、α2、γ等多种晶体结构，其对应的性能也可在较宽范围内调整，但其不足是钛冶金过程环境负荷大。对于复合材料，其再生难度稍大，关键是多相物质难以转变成单一物质的均质体。为了复合材料的再生，一方面，要设法控制复合材料的相界面结构，在一定条件下，通过相界反应，使复合材料能分解成单相物质。另一方面，也对设法将树脂聚合物作为粘接剂引入到复合材料相间，当该材料被加热至高温时，树脂聚合物分解，同时使复合材料分解，以利于再生利用。
3.3时刻考虑环境負担，通常考虑金属材料的环境负担是从制造过程、使用过程和废弃过程3个环节中考虑。现在，多品种、少批量、能源多耗型金属产品需求趋旺，这应引起我们的注意。因此，更要求我们注重制造过程的低环境负担，通过高成品率（高合格率）、低能源消耗、副产品少的手段来达到。使用过程的低环境负担是通过轻质、高刚性（减轻了材料使用量，提高燃料消耗效率来间接或直接降低环境负担）、局部性附加高功能材料（如表面处理、表面改性和复合材料，这样可有效降低能源使用量和材料消耗）、长寿命材料（通过延长材料寿命来延长产品寿命）的使用来达到。而废弃过程的低环境负担则是通过再循环利用来实现的。
三、结语
21世纪是可持续发展的世纪，社会经济的可持续发展要求以自然资源和环境协调性为基础。新世纪人类面临能源、资源危机和环境污染，这些问题严重威胁着人类及生物的生存。特别对于消耗大量资源和能源的金属材料，我们必须充分考虑其环境协调性，加强金属材料的环境协调性设计，广泛采用生态环境金属材料。
参考文献：
[1]李涛，毕站英.生态环境材料及环境协调性评价[J]. 内蒙古科技与经济，2004(4)：67-68.
[2]路学成，崔辉，黄勇.浅论有色金属的环境材料化[J]. 有色金属再生与利用，2004(12)：11-12.
[3]石孝洪，李军，桑雪梅.材料的环境协调性设计[J]. 重庆环境科学，2003，25(7)：54-56.
[4]苏向东，杜键，马亚芹.金属材料的LCA评价方法论探讨[J]. 贵州科学，2003，21(4)：13-16.
[5]王天民.生态环境材料[M]. 天津：天津大学出版社，2000.
[6]山本良一.环境材料（日）[M]. 王天民译.北京：化学工业出版社，1997.