新材料与可持续发展（ 2001-01 版）

新材料与可持续发展（2001-01版） • 报告人：戚立昌 • （中非人工晶体研究院）

高技术新材料“可持续发展”的内涵 “可持续发展”一词内涵丰富，各人看法不一。目前流行的是联合国指定的世界环境发展委员会（WCED）于1987年发布的长篇报告《我们共同的未来》中提出的“可持续发展”的定义，即“既满足当代人的需求又不危及后代人满足其需求的发展”。 “高技术新材料”本身就是一个持续发展的、动态的概念。它所包含的具体材料是有变化的：今天的一些传统材料是由昨天的新材料发展来的，今天的某些新材料将是明天的传统材料。笔者认为，“高技术新材料的可持续发展战略研究”包含以下内涵：研究高技术新材料在经济和社会的持续发展中的作用和高技术新材料的生产对环境和社会可持续发展的影响；在此基础上，从战略高度，研究我国高技术新材料发展的策略和规划。

“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（一）“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（一） • 一、高技术新材料在过去、现在和将来，都对经济和社会的持续发展起关键作用 • ○钢铁材料是过去的新材料，现在仍大量应用的传统材料，并正在走向新材料“超级钢”； • ○半导体材料是现在大量应用的新材料； • ○环境材料是将来大量应用的新材料。

“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（二）“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（二）二、高技术新材料在过去、现在和将来，都对技术进步起关键作用 ○新材料对信息、航天航空、激光、新交通运输、新能源和现代化土木工程等技术的进步起关键作用；

“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三）“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三） • 三、高技术新材料的生产对环境和社会可持续发展的影响

对传统产业影响--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三）对传统产业影响--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三）在传统材料和产品生产中采用高技术新材料后，能达到提高性能、节能，或节省资源，或减少环境污染的目的；例如：

新材料对节能的作用--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三）新材料对节能的作用--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三） ○镀膜多层玻璃窗是节能的新型建材。（见图） • ○汽车广泛采用复合材料后，自重减轻，在行驶时大幅度节能。 • ○全固体照明装置是革命性的、寿命更长、节能更多、对人身安全的新型光源。 • ○采用新能源材料的电动汽车的LCA指标比汽油汽车好得多。在整个寿命周期内，前者的能耗和CO2排放量分别为后者的51%和46%(见表) • ○采用光电子材料和先进陶瓷的TPV(热光伏)技术是一种新能源技术。

新材料减少污染--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三）新材料减少污染--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三） ○在洗衣粉生产中，用人造沸石代替含磷的builder(增净剂)，可大大减少磷对环境的污染。 ○据美国矿业局报道，世界1997年洗涤剂用人造沸石的需要量为85万吨，美国国内的需要量为35万吨。 • ○日本1996年的需要量为13.4万吨。（见表） ○中国的市场：目前洗衣粉的用量约为300万吨，若按沸石加入量为20%计，每年需要沸石60万吨。目前，我国年产上万吨的厂家只有2家。

新材料节省资源--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三）新材料节省资源--“高技术新材料”在经济和社会的持续发展中的作用（三） ○在水龙头中，采用精密加工的氧化铝陶瓷片作为密封件后，大大改善了传统水龙头漏水的毛病，节省了宝贵的水资源。

四、高技术新材料是新能源中的关键材料 • 如：太阳能发电材料、核聚变用材料、燃料电池用材料、风力发电用材料和电、热共产生技术用材料等。

五、高技术新材料弥补天然资源的不足 • 如：人造金刚石（见图）、人造水晶（见图）、人造沸石、人造云母、人造宝石、人造萤石、人造金红石等。

六、高技术新材料的“清洁生产”（1） 高技术新材料的生产要发展“清洁生产”，不能走“先生产后治理”的老路。国外近年来在高技术新材料的清洁生产方面取得了一些进展。如：

半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（2）半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（2）众所周知，半导体产业是个大产业，目前它对环境的影响也大，使用多种化学品、各种材料和气体，高负荷的能源和水造成环境负荷也高。因此要提倡“零排放”，进而提倡“清洁生产”。半导体工业的制造设备、空调设备、冷/热源设备以及纯水、供液、排气、气体、电气等设备的使用以每天24小时、每年365日连续运转，消耗着大量的能源。从消耗能源的种类来讲电力能源约占85％，燃油、蒸汽等能源占15％。从电力消耗的用途来讲前工序制造设备约40％～50%，空调、冷／热源设备约30％，其它辅助设备约25％。

半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（3）半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（3）制造设备方面： A、提高能源的转换效率，从而提高能源的利用率以达到节能的目的； B、降低设备待机状态的电力消耗，相应地减少空调的负荷，以达到节能的目的； C、降低设备的排气量，使尾气处理负荷降低，而达到节能的目的； D、减少设备的安装面积以此来控制净化区的面积，以达到节能的目的。据日本资料报导，只要将空调方式从“大空间高清洁空调方式”改为“局部场所高清洁空调方法”即可将“清洁成本”降低40%。以前的“大空间高清洁空调方式”，高清洁区占建筑面积的40－60%，而“局部高清洁空调”方式只占20%。

半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（4）半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（4）辅助设备方面： A、设备的小型化； B、减少高净化区的面积以求减少空气循环的动力消耗从而节约能源； C、选用压力损失小的空调系统； D、新型保温材料的使用促使电力消耗的平稳化； E、新型能源的采用减少使用能源过程中产生的二氧化碳。

半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（5）半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（5）产品开发和工艺设计： A、开发高附加值的产品； B、注重成本的产品开发（缩小芯片面积，工艺标准化，缩短设计周期）； C、提高生产（提高产出率，减少工程数，缩短测试时间）。

半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（6）半导体工业中能耗的节约--高技术新材料的“清洁生产”（6）半导体工业本身的发展： A、产品向高性能化，轻薄短小化，低耗能方向发展； B、机器设备向节约能源方向发展；

半导体工业中污染的减少--高技术新材料的“清洁生产”（1）半导体工业中污染的减少--高技术新材料的“清洁生产”（1）低污染工艺 ○减少PFC（PerFluoro Carbon）的排放 PFC是在半导体制造工艺中的CVD工艺上，作为清洁气体和在干法刻蚀的工艺气体使用的C—F系气体。主要气体有：CF4、C2F6、CHF3、C3F8、C4F8。现在，日本的半导体产业中，PFC使用量约为1000吨/年。而且，寿命长的CF4、C2F6 用量占PFC的80%。CF4主要用于刻蚀工艺，C2F6主要用于清洁气体。由于PFC会破坏地球的臭氧层，产生温室效应，因而被列入减少排出的对象。各种PFC的地球温暖化系数GWP见下表。现在，大部分PFC没有被处理而直接向大气排放。减少排出PFC成为今后半导体制造产业所面临的一个重要课题。

高技术新材料的生产对环境和社会可持续发展的影响高技术新材料的生产对环境和社会可持续发展的影响

半导体工业中污染的减少--高技术新材料的“清洁生产”（2）半导体工业中污染的减少--高技术新材料的“清洁生产”（2）研究方向可围绕着如下几方面开展： A、排出的PFC回收再利用系统的开发（涉及到如何有效而且低成本地将PFC进行回收、分离、再精制的技术）；日本某公司开发了用membrane技术，以市场能接受的成本回收PFC的方法，回收率达95%以上(见下表)。

七、高技术新材料要尽量采用节能制造工艺 材料技术应用 [监测/控制] *传感器/执行元件环境污染监测（集成灵巧传感器）卫星臭氧层观察污染控制（工业、城市、汽车） [节能] *高能陶瓷高温气体透平、陶瓷发动机、储能 **超导体电缆、发动机、汽车信息/通信器件和系统 *智能结构陶瓷生态住宅（功能玻璃、隔热体、选择涂层）超隔热住宅 *智能功能陶瓷信息/通信器件和系统（薄膜、纳米结构复合材料）传感器/执行元件/机器人 *先进材料制备工艺制造能量降低（微波烧结、sol-gel法、原子水平的沉积，生物化学工艺）

八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（1）八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（1）在美国，对儿童的铅中毒十分敏感，几乎每个家庭都有摄取铅的环境。美国环境保护局（EPA）向议会报告，已有300－400万人的孩子智能指数低下等的影响。于是禁止使用含铅的水管和铅焊料或含铅涂料的使用规则等细的法规正在实施。我国的铅污染情况也不容忽视。据报刊报道，上海市6-9岁儿童中有31%左右受铅污染，江苏有23%左右，浙江为21%左右。美国每年有400吨铅随印刷电路板排出，到2005年6000吨的铅和印刷电路板成为废弃物。日本每年铅的使用总量约40万吨，汽车和电化制品输出的总量只有2万吨左右。因此，铅几乎全蓄积在国内，其中26万吨铅再生使用。

八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（2）八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（2） ○无铅压电陶瓷 BNBT—6[(Bi1/2Na1/2)0.94Ba0.06TiO3]； BNTN—3[0.97(Bi1/2Na1/2)TiO3-0.03NaNbO3]； BNST—2[(Bi0.51Na0.49)(Sc0.02Ti0.98)O3]。

八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（3）八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（3） ○无铅钢材美国匹兹堡大学新开发出的一种无铅环保型“绿色钢材”，被认为是炼钢业近几十年来涌现出的重要创新技术之一。这种无铅钢材主要用来替代目前全球广泛销售的易切削合金钢。这种易切削合金钢中加入了铅，以便钢材的机械加工。但近年来，随着钢铁行业环保标准提高，寻找其它金属代替钢材中的铅。成为钢铁业的一个开发热点。匹兹堡大学研制出新钢材采用锡来替代铅。新型无铅钢材不仅有更高的环保价值，而且由于它可减少制造过程中环保监测的费用，还可直接带来钢材生产成本的下降。初步测试表明，该“绿色钢材”在机械加工性能上也优于现有含铅钢。新型无铅钢据认为在汽车零部件制造等领域有广泛用途。

八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（4）八、发展低铅和无铅新材料，减少铅污染（4） ○无铅子弹美国陆军已经开始生产无铅“绿色”子弹。用于M一16步枪的5．56毫米口径的无铅子弹是向21世纪“绿色弹药”前进的计划的一部分。这种子弹的弹芯不是铅，而是钨和锡或者钨和尼龙的混合物。这些子弹的性能和杀伤力以及发射安全性与目前的铅芯子弹是一样的。但对环境比较有利。

九、发展低汞和无汞新制品，减少汞污染 汞本身却是一种十分有毒的重金属，它的毒性比铅要严重5倍以上，一旦进入人体的汞超过某一间值，汞就会破坏人的中枢神经系统，造成生殖缺陷，以及其它一些有害身体健康的作用。因而，汞是一种可怕的污染。 ○无汞荧光灯目前大部分节能光源都含有汞，汞在光源发光机理方面具有举足轻重的作用。汞不但提高了灯的光效，而且丰富了光源的种类。然而，无汞荧光灯管与普通荧光灯不同，它不用汞，而是在发光管中封入氙气，轰击氙体发射出紫外线。它能耗低、寿命长、无闪烁，对人身安全。 ○无汞体温计 ○无汞血压计

十、用高技术新材料来提高传统材料的性能 ○用碳纤维来增强混凝土已广泛用于地铁工程。 ○玻璃纤维增强塑料正在向土木工程中推广。

十一、废物和废制品的再生利用（1） ○废制品的再生利用系统德国有“电气、电子设备废弃法”，规定了有关信息设备的制造者、销售者有回收和再生利用废制品的义务。日本大力研究“家电再生利用法”。据此，富士通建立了再生利用系统。该再生利用系统的再生利用率见下表。

十一、废物和废制品的再生利用（2） 2000年前的目标是收集废制品的再生利用率为90%。该公司制造的台式PC机本体(重量为10.6kg)的再资源化率(99%)为：金属屑—59%、部品屑—34%、Pt板—3%、塑料—3%、废弃物—1%。该公司制造的笔记本PC机本体(重量为4kg)的再资源化率(66%)为：金属屑—14%、部品屑—15%、Pt板—13%、塑料—24%、废弃物—34%。

十一、废物和废制品的再生利用（3） ○电池的再生利用电池的再生利用技术在日本已有显著成效。 1997年电池的总产量已达62.9亿个。平成５年通产省制定了“再生资源利用促进法”。镍镉电池是该法律中第二种指定产品。要求2000年的回收率为40%以上。再生率（再生品重量与作为原料的废电池重量之比）达70%以上；镍氢电池的再生率达60%以上；锂电池的再生率达50%以上；汽车用蓄电池再生率达90%以上；锰干电池、碱锰干电池的再生率达100%％；

十一、废物和废制品的再生利用（4） ○半导体器件中贵金属和有害金属的再生利用 A、金：一台电子设备中的金含量如表7所示。 B、铅：用过的电视机印刷电路板的焊料的回收。一台20型的电视机使用了20～40克的焊料。

外国高技术新材料可持续发展计划简介

外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划 2.1.外国的“新能源”计划新能源(可再生能源)是利用太阳光、生物圈内的水、风和碳的循环、地球内部热流、月亮、地球对大洋引力效果等能量的自然流的无穷尽的源泉。即新能源与矿物资源(石油、煤炭、天然气、铀)不同，它包括风力发电、阳光发电、太阳能热利用、生物质能发电、地热能以及包括燃料电池在内的一系列制氢和氢能利用技术。开发利用新能源有利于改善环境质量，减少气候变暖的危险，是21世纪能源发展的方向。

外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划 ○太阳能利用分为电利用和热利用。 ○生物能源期待中期成本达10－15美分/KWh。 ○目前最低的风能产生电力的成本为6美分/KWh。 ○地热能源生产的电力成本约为4美分/KWh，对于热产生的成本约为2美分/KWh。

外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划 ○氢是无碳的燃料，它氧化成水，作为燃烧产物，所产生的水又成为一种清洁的、丰富的、无碳的和自然循环的能源。在所有新能源观点的开发中，氢必然扮演了一个重要角色。因为它补充任何能流的能力和应用于任何负载。它将作为一种太阳能储存介质，将太阳能转换成一种运输工具的燃料。最近，四种太阳能--氢系统被选为进一步研究和开发：A、光电池加电解池；B、有一个或多个半导体电极的光电化学池；C、光生物系统；D、光降解系统。

外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划 • 2．1．2．日本的新能源计划 ○日本的太阳能发电计划日本政府制定了计划，大力发展建材一体化太阳能发电模块计划，1997年为5万千瓦，1998年末预计15万千瓦，2010年目标为500万千瓦。而且在第一年补助申请个人1/3的费用。由于这一措施，激发了日本著名企业的积极性，纷纷投资，开发、生产太阳能电池瓦，从而使该产品在短期内价格大幅下降，补助费逐年减少。

日本新能源计划（表-1）

日本新能源计划（表-2）

外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划外国高技术新材料可持续发展计划之一—外国政府的能源计划

太阳能电池用的新材料 发展高转换效率或低成本的新材料，如：高效率的CIS、GaAs等、低成本的TiO2(又称染料敏感型)太阳电池。发展透光型太阳电池材料，如：上述的TiO2太阳电池、带小孔的非晶态Si太阳电池。

外国政府的能源计划（1）—外国高技术新材料可持续发展计划之一外国政府的能源计划（1）—外国高技术新材料可持续发展计划之一 2.1.1.美国的能源研究与开发 ○美国的经济发展依赖于可靠的、可支付得起的能源供给。为了改善城市空气质量和减少全球气候变暖的危险，美国的能源研究与开发不仅着眼于经济，还从环境、安全和世界大国的现状等因素考虑，主要从能源效率、核聚变、核裂变、可再生能源、化石燃料等五个领域加强投入。

外国政府的能源计划（2）--外国高技术新材料可持续发展计划之一外国政府的能源计划（2）--外国高技术新材料可持续发展计划之一 1998年美国应用技术的预算总额为14．16亿美元，其中能源效率研究4．54亿美元，核裂变4600万美元，化石燃料3．46亿美元，核聚变2．25亿美元，可再生能源3.45亿美元。目前，能源效率的提高使美国消费者每年节约开支约1700亿美元，使空气污染物和二氧化碳排放减少约 1／ 3。能源效率的提高是多样化的，如运输部门采用高效的车辆，工业部门采用高效电动机、先进的材料加工技术和制造技术，住宅和商用建筑采用高技术窗户、超隔热材料、高效照明和先进的采暖制冷系统。

外国政府的能源计划（3）—外国高技术新材料可持续发展计划之一外国政府的能源计划（3）—外国高技术新材料可持续发展计划之一 2.1.3.瑞典的新能源计划瑞典的年发电量在世界居第十三位。瑞典全国有8个大型水力发电站，3个大型火力发电站，核发电站有7个，核电占瑞典总发电量的近一半。瑞典能源工业的今后战略目标是建立生态型能源体系，即利用生物燃料、风能、太阳能、小水电来替换核能和取代部分石油，以使能源工业在可靠安全的条件下继续稳步发展。瑞典计划于 1998年 7月 1日前和 20O1年7月1日前分别关闭位于巴塞贝克的2个核反应堆，2010年前关闭所有的核电站。瑞典政府计投资70亿瑞典克朗开发高效生态型能源，以最终替代核能。

日本“21世纪照明革命”计划（1）--外国高技术新材料可持续发展计划之二日本“21世纪照明革命”计划（1）--外国高技术新材料可持续发展计划之二 2．2 日本的“21世纪照明”计划（用节能型LED照明代替白炽灯、荧光灯）进人 90年代之后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN基器件的发展十分迅速，目前已经成为宽带隙半导体材料中一颗十分耀眼的新星。 1995年11月，在由材料研究会（MRS）主办的第一届GaN及其相关材料国际学术会议中，日本Nichia(日亚)化学公司的Nakamura 展示了用于交通信号灯的LED，引起全世界的重视。

日本“21世纪照明革命”计划（2）--外国高技术新材料可持续发展计划之二日本“21世纪照明革命”计划（2）--外国高技术新材料可持续发展计划之二全色高亮度和超高亮度的LED的商品化带来了照明技术的一场革命。利用高亮度红、绿、蓝色LEDs的组合，可以发出波长连续可调的各种色光，构成全色光源。目前利用超高亮度LED已可以制成最大亮度达到500cd／平方米的白色平板光源，成为新一代的照明光源，其耗电量仅相当于相同亮度白炽灯（寿命约为6～12月）的10％一20％，而其寿命约为5--10年，这种体积小、重量轻、方向性好、节能、长寿命、耐各种恶劣条件的新型固体光源对传统的光源市场造成冲击。目前普遍采用在封装材料中添加某种荧光物质，该荧光物质可以在蓝光LED（图1、2、3）的激励下发射橙黄光，利用蓝光和橙黄光的混合得到白光。

日本“21世纪照明革命”计划（3）--外国高技术新材料可持续发展计划之二日本“21世纪照明革命”计划（3）--外国高技术新材料可持续发展计划之二传统的公路、铁路的交通信号灯、警示灯、标志灯和各类汽车的指示灯，采用白炽灯加滤光片的方法实现各色指示或显示，对光能的利用率很低（最高为50％），而采用高亮度LED不仅响应速度快、寿命长、抗震、耐冲击，而且高效节能。目前日本采用高亮度红黄蓝LED像素灯作为交通信号灯，其耗电量仅为原来的12%。

新材料与可持续发展（ 2001-01 版）