第三只眼看材料产业与环保

2013年，来自英国剑桥大学、荷兰乌得勒支大学和美国麻省理工学院的研究人员为英国皇家学会写了一份题为“材料效率：用更少的材料生产提供材料服务”的报告。报告中指出，在未来40年，随着人口的增长和财富的增加，对材料的开采和加工的需求有可能会增加一倍，而这其中所需的处理对环境的影响将变得非常关键，特别是工业界驱动了近三分之一的全球能源需求。如果世界想要达到其气候变化的目标并同时保持经济增长，那么仅靠发展低碳能源供应和增加回收利用是不够的，因此必须更有效地使用材料。

本文将探讨钢铁、有色金属、化工、建材等行业如何更有效地使用材料以达到环保的目的，同时也对新材料在半导体、稀土催化及新型汽车钢方面的一些发展进行阐述。

钢铁行业

钢是经济增长与环境责任相辅相成的绿色经济的核心，也是世界上最可再循环利用的材料。即使是150年前制造的钢今天也可以回收并应用于新产品中。按行业划分，全球钢铁回收利用率在机械行业约为90%，建筑行业约为85%，汽车行业约为85%，电子和家用电器行业约为50%。这导致全球加权平均超过83%。如今，97%的钢副产品可以被重复使用。

回收再利用废金属可减少温室气体排放量，并且比从原生矿石中制取金属消耗的能量少。与使用原生矿石相比，回收旧钢可节省56%的能源消耗。同时，钢的回收再利用可以节省天然资源。回收一吨钢可以节约1.13吨铁矿石、635公斤煤和55公斤石灰石。

钢也是创新和发展的行业，每年全球钢铁行业花费超过120亿欧元用于改进制造工艺、新产品开发和未来的突破性技术。新型轻钢极大地改变了市场。1937年，打造旧金山的金门大桥需要8.3万吨钢，而今天，只需要一半的量。而采用先进高强度钢（Advanced High Strength Steel，AHSS）作为结构的车辆重量比使用常规钢的车辆重量要减少35%，从而极大地减少了温室气体排放。

钢铁主要生产过程中产生的污染物和废弃物主要分三类：空气污染物、废水污染物和和固体废物，同时需要消耗大量的水。在过去的二十年里，炼钢技术和排放控制技术的持续改进，加之更严格的政府法规，大大减少北美、西欧和日本的此类排放。通过引入碱性氧气炼钢，可以让废气的收集和再循环以受控的方式进行，从而减少排放量；而连续铸造工艺的使用减少了能源消耗，从而减少排放量。在钢铁的总污染控制成本中，有超过一半以上涉及废气排放，估计达到总生产成本的1%～3%。空气污染控制设备大约占工厂总投资的10%～20%。

钢铁行业环境保护的一个关键任务是保持空气清洁，减少硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、烟尘和粉尘等的排放。钢铁粉尘带来健康风险，并且可能对环境造成滋扰。为防止灰尘逸出，钢铁生产商提取富灰尘烟气，封闭储存和铁矿石输送管道；为降低硫氧化物排放，钢铁企业尽量使用低硫燃料并进行烟气脱硫；为减少氮氧化物排放，钢铁企业使用先进的燃烧器或废气处理设施。例如蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）在德国的热轧厂使用先进的燃烧器，限制加热炉的长度，采用蓄热式系统，从而达到低成本地有效减少氮氧化物排放的目的。通过使用先进的除尘技术，辅之以二次除尘系统，灰尘颗粒物排放被降至最低。蒂森克虏伯从1975年开始使用该设备工艺，到2007年就已经将总粉尘排放量减少了超过90%。

钢铁制造需要较高的温度，大量水被用于非接触式冷却。为了尽量减少对地下水的开采，海水有时会被用于冷却。引入水强度减少目标并随时映射和计量，可以通过检测泄漏和异常消耗来帮助提高认识，从而减少用水量。在闭环系统中，水经处理可以重复使用40次以上。另外，水还被用于漂洗和清洗，这就需要安装处理设备改善污水水质。在美国，通常表现好的钢铁企业会将其水再循环利用技术与其他厂商共享。

有色金属行业

有色金属主要包括铝、铜、铅、锌、钛、铍和镍等，常被用于需要较少的重量、更高的强度、无磁性、较高的熔点或耐腐蚀的结构建筑。它们还被指定用于电气和电子应用。其中，铝因其低密度、耐腐蚀而备受关注。铝及铝合金制成的结构组件对航空和航天工业，以及其他运输领域和结构材料都相当重要。

高科技设备寿命的不断缩短以及对各种小工具日益增长的需求增加了对有色金属的需求。TechNavio的分析师预测，全球有色金属市场在2013到2018年间的年复合增长率为6.02%。而全球有色金属市场也已经目睹了日益严重的环境问题和能源制约。例如随着全球铝仍然供过于求，而原料和电力的价格却持续上涨，全世界的铝企业都被迫更重视削减生产成本，并减少铝生产对环境造成影响的现代化生产流程。

比如俄罗斯联合铝业集团（UC RUSAL）自2005年开始就启动了改进铝电解自焙工艺的项目。在2014年，KrAZ和BrAZ将开始逐步用绿色的连续自焙阳极电解槽取代现有的还原槽，这一转型过程大约需要4到4.5年。通过采用这一新的生产工艺，铝土矿不仅被用来生产氧化铝，也能生产大量新产品。其结果是减少生产废物，即红泥。第一阶段，预计红泥的产出会下降30%左右，最终期望下降达50%～70%。在这种新工艺下，不仅仅是处置废弃物，而是更高级的生产多样化。

当今世界的能源越来越贵。由于较低的能源消耗，废金属回收利用与开采和加工原生矿石相比，能显著降低温室气体排放量。根据联合国环境署（United Nations Environment Programme，UNEP）的数据，铝的回收利用比冶炼原生矿石节约92%的能源，而铜也可以节约90%的能源。在美国，由于政府的目标是长期减少温室气体排放，因此回收行业的吸引力极大。根据美国废料回收工业协会（Institute of Scrap Recycling Industries，ISRI）的数据，有色金属回收虽然数量小，但所占的价值份额却高达全部金属回收的50%。作为世界最大的铜回收生产商和欧洲最大的铜生产商，Aurubis AG公司的首席执行官Willbrandt认为，有色金属行业是“高效和可持续的生产方法的驱动器，有效利用资源的问题是有色金属行业战略的核心。”

化工行业

几乎没有一个行业不使用化学品，全世界数以百万计的人都直接从化工行业得到好处。根据联合国环境规划署2013年的数据，全球化工产业自2002年以来大幅增长，目前产业总产值达41亿美元，而1970年仅为1.71亿美元。

虽然化学品是世界经济的主要贡献者，但为避免其对人类健康和生态系统的重大和日益复杂的风险，对其整个生命周期的健全管理至关重要。2012年，联合国环境规划署在其《全球化学品展望》报告中指出，全球化工行业的增长以及对健全管理的缺乏，已经严重威胁到人类的健康和环境，并增加了财政负担。报告中的统计数字显示，某些化学品（包括铅和农药）每年在全球估计造成96.4万人死亡，占全球每年总死亡人数的1.6%。全球化工行业早已意识到化学品的生产和使用可能对人类健康和环境造成不利影响，因此多年来一直倡议发展化学品在使用、生产、运输和安全处置上的协调一致、全行业支持的最佳实践标准。

自2002年以来，联合国一直在推动全球采用其国际化学品管理战略方针（SAICM）。而目前全世界基本已经对联合国的目标达成共识，即到2020年，世界各地的化学品的生产和使用方式，要最大限度地减小对人类健康和环境的重大不利影响。

欧盟有被称为REACH（化学品的注册、评估和授权）的化学品政策，并于2007年6月1日起作为法律开始实施。REACH的主旨是鼓励将危险化学品更换为更安全的化学品，并激励企业和化工行业研究和开发更安全的产品。REACH要求企业对他们所使用的化学品负责，他们有责任证明化学物质因为它们的使用方式而安全。

此外，联合国有一个全球统一的系统，称之为GHS，用以识别确定危险化学品，并通过在包装和标签上标注标准符号和短语，或通过安全数据表，向公众和用户传达这些危害。这促使各国实施GHS作为一个统一基础，提供一致的关于化学物质和混合物的物理、环境和安全信息。

建材行业

建筑业消耗巨大数量的基础材料，而制造这些材料会消耗大量的能源，产生惊人的温室气体排放量，对自然环境造成深远的影响。在北美，建筑物环境的温室气体排放量约占总排放量的三分之一，其能源、水和材料的消耗也基本如此。如果材料科学家和企业家可以设计出能用较少的能源制造出的材料，那么气候变化可能会放缓，并可以为制造业创造许多新的就业机会，实现清洁技术创新这一万众瞩目的承诺。与之类似，在欧洲，大多数人生活在城市中，每年有数十亿欧元花费在欧盟的城镇和城市的建筑工程中。如果在建筑业实施可持续性发展原则意味着更高效地使用资源，并基于生态原则作出决策，这将帮助欧洲创建和管理一个更健康的建筑环境。

鉴于人们对“绿色建筑”的认识日益提高，环境保护在建材行业中越来越受关注。如前文所言，一旦铁矿石被开采并精炼成钢，它的生命就永远不会结束，这使得钢成为建筑行业部署可持续发展战略的理想材料和首选材料。

建材行业也离不开混凝土（以硅酸盐水泥为主要成分）。混凝土是世界上消耗第二多的物质，平均每人每年使用近三吨，仅次于水。但生产混凝土对生态有重大影响：它使用大量的自然资源，包括石灰石、沙子，并需要大量的燃油和电力。此外，水泥行业的二氧化碳产出量仅次于发电生产。尽管水泥生产已变得更有效率，行业的温室气体排放量也有所下降，但进一步削减将变得相当困难，因为在未来30年内，预计全球对混凝土的需求将翻一番，因而加工石灰石的需求会增加，这必将产生大量的二氧化碳。因此，寻找方法以减少混凝土工业对环境的影响，尤其是其对全球变暖的影响至关重要。最近有很多研究在考察水泥行业减少温室气体排放量的潜力。这些研究大部分侧重于使用替代材料来代替水泥来生产混凝土，这将会创造一个更加可持续的过程。最常用的替代品是工业过程中的废弃物，如粉煤灰等，这也正体现了绿色设计。使用这些工业废料生产水泥，即可以保护自然资源，又能减少与原生材料相关的能源使用和温室气体排放，同时还能保持水泥的强度和性能，并能因为减少废物而取得环境效益。此外，这种加入替代性材料的混凝土往往可以循环再利用，需要的维护也较少，加之这些替代材料比原生材料便宜，因此产品往往更经济。随着对建筑材料的需求继续上升，在建材设计中使用回收工业废弃物对业主和建筑商都具有经济意义。

除了使用替代材料，水泥行业中另一种减少温室气体排放量的方法是使用先进技术，用以捕获水泥生产过程中的二氧化碳，并将其制成其他产品，如碳酸盐和碳酸等。比如卡莱拉公司（Calera Corp.）的新水泥的成功就显示了新技术能带来的巨大收益。卡莱拉首席执行官Brent Constantz说，“全球每年生产的硅酸盐水泥产生25亿吨的二氧化碳排放。与之相比，卡莱拉的新工艺流程每生产一吨水泥，就可以封存半吨温室气体，并且淡水是新工艺的副产品。此外，如果水泥工厂建在燃煤发电厂旁边的话，可以吸收发电厂的碳排放量，将其作为原材料”。

新材料

在日常生活中，环境保护与可持续发展问题的重要性日益增加，而在材料科学和工程领域更是如此。几乎材料使用的每个方面，从开采与生产，到产品设计和最终处置问题，无一不受环境因素的制约。此外，还有许多情况下，新型环保材料的开发为材料科学家和工程师提出了新的挑战。对环境问题的认识不断提高，增加了对材料行业的关注。材料工程的正面形象应该是一个处于技术进步最前沿的行业，不仅是处理过去的错误，还要推动可持续和安全使用的材料的未来。

【半导体】半导体器件的快速创新和改变受到两种不断增长的需求的驱动：一是对更长的电池寿命的需求，另一个是对更快的计算机和移动设备性能需求。以前，半导体器件主要由硅或二氧化硅制成，再加上一些掺杂剂和象钛、锡、氮化钛和铜一类的导电金属。现在，通过几何缩放取得性能增益的时代已经过去，未来的利益将来自材料工程和设备的结构设计更改，而新材料的使用才刚刚开始。

2014年1月15日，美国总统奥巴马授予北卡罗莱纳州的一个新的制造中心7千万美元项目援助。此次将应用研究和产品开发汇集起来的目的只有一个：做出更好的半导体。项目中的伊利诺伊大学工程博士、助理教授Lucy Shi多年来一直致力于研究可能取代硅成为半导体基础的材料，比如氮化镓化合物。氮化镓有独特的化学属性，比如低电阻，导致比硅更小的功率损耗。

源于英国华威大学的Anvil半导体有限公司于2013年底获得私人资助，用于开发和商业化碳化硅半导体驱动的功率器。而在北卡罗莱纳州的研究中心，将会测试复合碳化硅，即一种硅和碳的化合物的性能。被《美国科学》杂志评为“半导体革命的英雄”之一的北卡罗莱纳州的教授Baliga对碳化硅的能力非常有信心。他说，“我通过我的理论表明，碳化硅应该比硅好1000倍。”

2013年9月，台湾公司SEMICON了两种新CMP材料，TECATRON CMP（PPS）和TECAPEEK CMP（PEEK）。TECATRON CMP具有出色的耐磨损性及耐化学药品和溶剂性，这意味着使用寿命的增加，从而降低非生产性时间和单位成本。TECAPEEK CMP除了具有韧性和尺寸稳定性，也同时具有出色的耐磨损性。加之良好的抗化学腐蚀性，这些特征都确保了较长的使用寿命。改善的加工特性允许更高的处理速度，需要更少的去毛刺工作，从而使生产率显著提高。这两种新材料非常适合用于定位环的制造，因为为了防止损坏晶片从而增加可用集成电路的产量，这些制造必须在特定的精度和尺寸精度下进行。这两种新材料的优点已经在制造工厂得到证实。

2013年4月，俄亥俄州立大学的化学家开发出了一项新技术，可以制成一个原子厚度的锗片——germanane，这种材料的结构与由单层碳原子组成的二维材料石墨烯非常接近。俄亥俄州立大学的化学助理教授Joshua Goldberger说，虽然大多数人认为石墨烯是未来的电子材料，但是毕竟硅和锗仍是目前的材料。所以，他们一直在寻找具有良好特性的硅和锗的独特形式，从而使用现有的技术和较低的成本来获得新材料的优势。根据研究人员的计算，电子在germanane中的移动速度比在硅中快十倍以上，比在常规锗中快五倍以上。凭借这一高流动性，germanane可以承受未来高性能计算机芯片所增加的负载。

半导体行业的成长正是依赖于这些材料和技术创新。在材料方面，未来五年的巨大变化将是Ge和III-V族材料的应用，从而进一步改善电子流动性，比如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等在逻辑器件n-和p-通道的实施。进一步，硅晶体管器件可能部分或完全被基于碳的技术所取代。最受关注的两个碳同素异形体是碳纳米管和石墨烯。碳纳米管和石墨烯有潜力满足市场的需求，使晶体管更具有柔韧性和适印刷性，并从更低的原材料成本和加工成本两方面来降低成本。事实上，在2013年夏天，第一台只包含碳纳米管晶体管的计算机已经被生产出来。当然，最终哪种技术胜出还有待观察，但可以肯定，随着社会对电子设备的性能和可靠性的需求不断提高，在全球范围内驱动半导体材料的快节奏创新将会持续。

【稀土催化剂】强大的催化剂的开发可以有重大的影响，甚至改变社会。仅在过去的十年，就有九名科学家因为在开发新的催化剂方面的成就而获得诺贝尔奖化学奖，这其中就包括其中包括RIKEN高级科学研究所主席Ryoji Noyori。

稀土金属不同于主族金属和过渡金属。通过充分利用它们的特征，可能会开发出新的催化剂，从而有可能进行以其他方式不可行的化学反应，产生新的物质。然而一旦与空气或潮湿接触，稀土金属催化剂会很快分解，所以很难处理。这也是稀土催化剂难以研究的原因之一。

“新催化剂、新反应、新材料”是RIKEN高级科学研究所有机金属化学实验室的研究活动的口号，而实验室的主要目标之一就是使用稀土金属开发新的催化剂。作为实验室首席科学家，Zhaomin Hou已经利用稀土金属成功开发出一些新的催化剂，而之前很少有相关的应用被发现。

2004年，Hou开发出携带一环戊二烯配体的钪催化剂。随后，通过使用钪催化剂，Hou将乙烯引入间规结构的聚苯乙烯，从而产生具有新功能的坚韧、柔软并有高加工性的高分子材料，这一成就为合成新型功能的高分子材料铺平了道路。基于稀土金属钪，Hou又开发了两种催化剂。使用这些催化剂，通过反应，Hou能够合成一种具有间规结构的聚苯乙烯和顺式-1，4结构的异戊二烯聚合物。这一重大成就已于2011年10月公布于世。

2005年，Hou使用稀土金属钇成功开发出一种新的聚合催化剂，并用它创造了超过天然橡胶功能的合成橡胶。Hou介绍说，“虽然结构相同，但天然橡胶的分子量和聚异戊二烯的长度是可变的。相比之下，我们所生产的合成橡胶中的聚异戊二烯具有几乎恒定的分子量。此外，天然橡胶含有杂质，可能会引起过敏，而我们的合成橡胶不含杂质，拥有超越天然橡胶的性能。”

Hou这样评价自己的研究：“我的研究中所使用的所有的催化剂都含有稀土金属，我相信，通过组合使用稀土金属催化剂和第4族过渡金属催化剂，可以创建使用常规催化剂难以合成的新型高分子材料。”

【新型汽车用钢】如今，汽车工业正面临着严峻的考验，这既包括新的更严苛的环境法规，也包括经济衰退后缩小的市场需求。随着汽车市场寻找创新的方法来满足未来的企业平均燃料经济性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）的要求，预计到2025年，平均轻型车辆燃油经济性将增加近一倍，达到54.5mpg。而欧洲的碳排放立法也驱动了汽车的轻量化发展。与之对应，北美钢铁行业持续在先进材料和制造技术方面进行投资，推出了各式各样的新型汽车用钢。大范围的高强度钢意味着制造商可以只通过使用更薄的钢就可以实现轻量化。

如今，新的先进高强度钢正以其独特的冶金性能和可制造性使汽车行业能够以合理的成本满足日益严格的要求。使用先进高强度钢的车辆不仅可以节省材料，还有助于减少车辆整个生命周期的温室气体排放量，包括制造、行驶和回收利用。相比于钢的主要竞争对手铝和塑料，先进高强度钢的增长速度更快。每一年，都会推出使用重量更轻、强度更高的钢组件的新车型，为增高的安全性和燃料经济性需求提供具有成本效益的答案。

如果将目前可用的先进高强度钢应用到美国汽车车队，来自于汽车的温室气体排放将大约减少12%，这一数量甚至超过了当前整个美国钢铁工业所产生的温室气体排放量。目前，世界各地的汽车设计师都已经将减少排放量融入到设计中，在车辆中使用越来越多的先进高强度钢。现在，车辆平均包含仅175磅的先进高强度钢，但预计到2020年，这一数量将翻倍。作为美国能源部（DOE）先进制造倡议的一部分，高强度、轻量钢制成的汽车不久的将来就会开到你的面前。

为满足2025年严格的平均燃料经济标准，下一代轻型汽车的设计师们可能希望同时使用高强度钢和铝合金这两种材料，以生产足够轻但强度高的安全结构。事实上，在2013年的雅格中，本田公司使用搅拌摩擦点焊，首次成功在铝阳极中加入钢阴极。

Los Alamos国家实验室和科罗拉多矿业学院（CSM）的研究人员正凭借他们的专业知识，计划用三年的时间，耗资120万美元，为汽车行业完成开发新的高级钢的项目。新项目的目标是要消除制造零部件时要加热到900摄氏度所需的时间和能量，从而满足安全要求，在室温下生产钢，但仍保持可塑性。该项目将使用更清洁的制造方法，消除工艺流程中的传统热处理及其相关费用与危害。

NanoSteel公司的研究科学家们为新的先进高强度钢板材料设计了一种新的纳米尺度的微结构，或称之为纳米结构，它可以处理高负荷，并保有在室温下被塑造并形成汽车零部件的能力。纳米结构提供独特的高强度和高延展性组合，能产生现有先进高强度钢板材边界之外的下一代性能。

总部设在俄罗斯的Severstal公司于2011年宣布计划打造“突破性汽车用钢”。Severstal称，这种更先进的高强度钢具有超过40%的伸长率，意味着它可以在现在的尺寸基础上再扩展40%以上。如果用测量材料刚度的兆帕强度来衡量的话，大多数钢在1000兆帕强度以下，而这种新高强度钢达2000兆帕强度。

WorldAutoSteel的最新研究认为，在不久的将来，钢结构车身的重量会与目前的铝结构车身重量一样轻，同时还能满足所有的碰撞性能标准，而其成本与目前的钢结构成本相当。

未来如何，我们无法准确预测，但有一点可以肯定，未来能领军的公司一定是那些能成功地开发出新产品，从而让我们的生活更美好、我们的地球更健康的公司。