聶祚仁院士：材料生命周期工程是實現全球可持續發展目標的關鍵途徑

2020-09-10 科技導報


聶祚仁，中國工程院院士，難熔金屬粉末冶金和鋁合金領域專家，現任北京工業大學教授、副校長，中國材料研究學會副理事長、教育部科技委材料科學學部副主任。長期從事有色金屬冶金材料及加工領域教學與科研工作，致力於材料全生命周期環境友好發展。在難熔金屬、鋁合金等方面取得系列原創性和工程應用成果。帶領團隊研製出多元複合稀土鎢電極及鎢鈷鎳再生粉末技術、鉺微合金化鋁合金，形成了我國特色，解決社會民生和國家工程難題；推進了材料LCA技術實際應用。

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生命周期方法與材料生命周期工程實踐

面對日益嚴峻的資源匱乏與環境汙染問題，追求材料產業與資源環境協調，實現可持續發展已經成為全球共識。

《Science》於2018年6月底刊登了一篇美國麻省理工學院與英國劍橋大學合作發表的題為「Toward a sustainable materials system」的論文，闡述了材料生命周期工程理論在材料設計、研發與應用中的核心指導作用，指出了面對全球未來人口膨脹、資源短缺、環境惡化等挑戰，應對材料產業基於全生命周期思想進行重新審視，深入研究與大力推廣材料全生命周期可持續發展評價及應用。

材料生命周期工程被認為是有效緩解資源匱乏和環境汙染的有效途徑，進入21世紀以來，引起各國重視並得到了廣泛發展，2019年被中國工程院選為全球工程研究前沿。

自改革開放以來，我國大規模工業化發展，經濟高速增長，但與此同時伴隨著資源、能源消耗與環境汙染的急速增加，材料工業的能耗和產業發展帶來的汙染物排放等問題愈加凸顯。

如我國材料工業能耗已超過全國總能耗的45%、工業總能耗的65%，材料工業發展帶來的SO2、廢水、固體廢棄物、煙塵排放分別佔工業總量的32%、48%、60%、94%，加劇了資源能源緊缺、生態環境惡化。

黨的十八大以來，我國已將生態文明建設作為基本國策，推動工業綠色轉型。材料產品是人類生存、國民經濟發展不可或缺的物質基礎與戰略先導，在我國倡導生態文明建設的大背景下，材料產業發展模式應從重產量、重成本、重性能，逐漸向注重性能-資源/能源-環境多維協調的發展模式轉變。

20世紀90年代初出現的生態環境材料（Ecomaterials）概念，曾賦予材料及其產業以環境協調功能。

隨著各類材料基礎研究和應用技術日趨完善、學科交叉日漸豐富、大數據技術應用日常便捷等，材料學界已從早期的替代毒害和稀缺元素、少合金化設計、節能減排與循環利用技術等單項研發努力，認識趨向必須基於全生命周期方法的材料生命周期工程，要求從材料產品設計、資源獲取開始，面向其生命周期全過程，在對材料的使用性能、資源/能源消耗和環境影響進行關聯量化分析的基礎上，追求全產業鏈條的最優化，並通過在材料製造、使用、回收等環節中持續地進行技術創新與工藝優化，有效降低材料產品全生命周期的綜合環境負荷。

據有限統計，美國、義大利和英國是近五年「材料生命周期工程」前沿核心論文的主要產出國，共103篇，佔比42.92%；中國22篇居第4，佔比9.17%；丹麥理工大學發表論文佔比3.33%，第1產出機構。中美間的國際合作最多，中國和美國分別以施引核心論文30.08%和16.81%位居施引第1和第2國。

生命周期工程是綠色製造戰略在全產業鏈的延伸與擴展，追求滿足使用性能、保護環境、促進經濟發展為協同目標，將其理論與技術應用到產品的設計與生產中，綜合優化產品在生命周期中的成本、性能與環境表現，是一個涵蓋產品生態設計、綠色工藝規劃、綠色製造、清潔生產、綠色包裝、維修、再製造、再利用等諸多研究內容，由製造科學、管理科學和環境科學深層次交叉而形成的國際重要科學與技術研究的前沿領域。

在全球為實現可持續發展目標的奮鬥進程中，生命周期工程研究與實踐迎來了前所未有的發展良機，綠色製造與智能製造相結合是材料工業踐行生態文明與可持續發展的重要方向，生命周期工程的研發與應用機遇與挑戰並存。

需要基於生命周期視角的基礎理論方法指導，面臨生命周期工程基礎理論研究亟待突破的難題，諸如生命周期評價方法在國際上依然存在爭議、本土化評價方法尚未達成一致、生態設計理論與實踐仍需進一步完善等。

在實施的操作層面，基礎材料生產流程工業大數據獲取、甄別和聚類匯集等技術，仍然是制約生命周期工程發展的瓶頸。

北京工業大學材料學院生態環境材料研究所自20世紀90年代開始，致力於材料生命周期評價理論與方法、材料環境負荷評價資料庫及分析軟體和材料生態設計、資源材料循環等研究應用開發與專業人才培養，近30年堅持探索開拓材料生命周期工程。

2016年經北京市推薦國家發改委「工業大數據應用技術國家工程實驗室」建設，獲批准針對工業生產系統全生命周期質量管控和評價不足等問題，開展流程工業及產品的全生命周期多維評價大數據技術研發和工程化，以提升鋼鐵和有色冶金、建材和化工等大宗基礎材料生產流程以及關鍵零部件製造流程的綠色製造技術水平，滿足經濟社會發展和國家重大工程需求。

生命周期工程是多專業多領域相融合的工程研究，是一項龐雜的系統工程，更是實現全球可持續發展目標的關鍵途徑。生命周期工程實踐迫切需要各相關領域的科技工作同仁共同攜手、肩負使命、勤於探索、勇於實踐，為實現人類社會的綠色發展貢獻力量。

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