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全球氣候變暖對人類的生存和發展具有嚴峻挑戰，由此提出“低碳經濟”。所謂低碳經濟，是指在可持續發展理念指導下，通過技術創新、制度創新、新能源開發等多種手段，盡可能地減少高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，[1l達到經濟社會發展與生態環境保護雙贏的一種經濟發展形態。低碳經濟實質是能源高效利用、清潔利用和低碳或無碳能源開發；核心是能源技術創新、制度創新以及人類生存發展觀念的根本性轉變。低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，是人類社會繼農業文明、工業文明之后的又一次重大進步。在談到減排時，不少人首先想到的是可再生資源和清潔能源供應，但這是不完全正確的。減排最大的潛力在于人們開發新材料新技術，如綠色制造技術，納米材料和納米技術，碳捕捉及封存技術(CCS)，12]新型電子信息技術，新的鋼鐵生產方法，清潔煤技術等，這些才是人們應該廣泛關注的問題。

一、低碳經濟形勢下國內外材料科學技術的發展現狀

在低碳經濟形勢下，為爭取其經濟和科技的領先地位，世界各國都十分重視材料科學技術的應用和發展，把新材料新技術作為科技發展戰略的重要組成部分，予以重點支持。美國新材料科技戰略目標是保持本領域在全球的領導地位，支撐信息技術、生命科學、環境科學和納米技術等發展，滿足能源、信息等重要部門和領域的需求。美國氫燃料研發主要集中在生產、儲存和氫的配送技術及驅動汽車的幾乎無空氣污染物和溫室氣體排放的燃料電池技術開發上，研制的高效堆積式多結砷化鎵太陽能電池的轉換效率達到31％。通過在宇航發動機中增加先進結構材料，把發動機的推重比提高到20，大大降低飛機的重量，節約能源。歐盟新材料科技戰略目標是，在航空航天材料、電子信息材料等領域競爭領先優勢。歐盟科研公司大力發展光學材料、磁性材料、燃料電池技術、納米技術、超導體、信息存儲技術、鈦基復合材料等。通過產品創新和技術創新，在新材料制造裝備、加工和應用三個方面來發展低碳經濟，并計劃到2020年溫室效應氣體在1990年的基礎上至少減少20％。H1日本新材料科技戰略目標是保持產品的國際競爭力，注重實用性，在尖端領域趕超歐美。日本對新材料的研發與傳統材料的改進采取并進的策略，注重已有材料性能的提高及回收再生。15]在21世紀新材料發展規劃中將研究開發與資源、環境協調的材料以及減輕環境污染且有利于再生利用的材料作為主要考核指標。通過開發新的材料科學技術以解決資源短缺和環境污染問題。我國歷來重視材料科學技術的發展，在各項國家計劃中都給予了材料領域重點支持，如973、863、科技攻關計劃等。在低碳經濟形勢下，我國已形成了比較完善的材料科技體系，在材料領域的研發方面取得了長足進步，某些新材料領域具有明顯的資源優勢和技術優勢，如納米碳管、有機發光材料、稀土永磁材料等方面進入國際先進行列。但我國自主創新能力弱，缺乏有自主知識產權的新材料產品及技術，嚴重阻礙新材料新技術的研究發展。因此，我國正通過各方面的不斷努力，改進材料的加工制備技術、工藝及裝備，大踏步向低碳經濟邁進。

二、低碳經濟對新材料產業的發展要求

展望世界經濟的未來，低碳經濟要帶動實體經濟的發展，必須借助新材料新技術的支撐。低碳經濟對新材料產業提…的總體要求是：為推動經濟向低消耗、低碳排放的轉提供物質基礎。具體包括：

1產業結構調整升級。低碳經濟形勢下，根據傳統產業的低碳升級改造和新興戰略性產業發展的需要，新材料產業需要加速調整產業結構，壓縮初級材料加工：[業產能，推動產業鏈向精深升級發展，優化產業結構和區域布局。

2技術創新。制造業的升級對低碳材料的需求層出不窮，必須通過不斷的技術創新研發出新型低碳技術，搶占技術主導權，增加產業的柔性和生命力，不斷地促進新材料新技術的更新發展。

3優化能源結構改善生態環境。優化能源結構，逐步降低煤炭在一次能源結構中的比例，提高核能、太陽能和風能等清潔、高效、優質能源的比重，以保證經濟與環境的可持續發展。

三、材料科學技術在低碳材料領域中的應用前景和發展趨勢

(一)碳纖維復合材料

碳纖維是先進復合材料中最重要的增強材料，結構輕質化要求使碳纖維復合材料具有廣闊的應用前景。碳纖維復合材料以其獨特、卓越的理化性能廣泛應用在火箭、導彈和高速飛行器等航空航天領域。采用碳纖維與塑料制成的復合材料制造各種宇宙飛行器，[71不但推力大、噪音小，而且由于其質量較輕，所以動力消耗少，節省大量燃料。在汽車行業中，用碳／玻璃纖維混雜增強復合材料可以大大減輕車重，降低成本，減少污染。在電子工業中，研磨碳纖維加入到熱塑性樹脂基體制得導電塑料，可有效地解決抗靜電問題，制成的部件不需要刷導電底漆，可大大降低低本并減少對環境的污染。

(二)新型信息功能材料

隨著電子技術飛速發展，新型信息功能材料正向節能環保、智能化方向發展。電子信息功能材料是以寬禁帶半導體材料、光電子材料、磁性材料和納米材料為主導發展方向。光電子材料正由體材料向薄層、超薄層和納米結構材料的方向發展，[81美國、日本通過研究Ⅱ一Ⅵ族材料技術制得了以激光、紅外為主要應用背景的新型高性能光電子材料。利用第三代半導體材料制成的高效率白光發光二極管作為新型高效節能固體光源，在光顯示、光存儲、光照明：等領域中有著廣闊的應用前景。電磁屏蔽材料是一種防止電子污染所必需的防護性功能材料，是目前高新技術發展領域中的新型電子材料，其電磁波的屏蔽性能將隨著我國電子工業的飛速發展而日益改善和提高。

(三)節能建筑材料

低碳經濟中，建筑材料正向輕質化、綠色化方向發展。建筑上常將透明絕熱材料與：外墻復合成透明隔熱墻，大大減少因對流造成的熱量損失。復合保溫玻璃具有雙重保溫性能，可保持室溫穩定，降低能量的損耗。納米微膠囊相變材料通過相變技術在恒溫狀態下進行吸熱或放熱，在外界溫度變化時能有效地保持室內熱環境的穩定性，減少能量的損耗，[91達到建筑節能的目的。太陽能光電材料是太陽能電池與建筑材料復合而成的新型建材，太陽能光電屋頂、太陽能電力墻和太陽能光電玻璃不僅能吸收太陽熱能，還能將其轉換為電能，支持住宅內部用電，甚至還能將多余電力輸入電網。隨著太陽能技術的發展，太陽能光電玻璃有望在十年之內成為生態建筑中的主流玻璃材料。

(四)新型能源材料

隨著人們對環境問題和能源問題的日益重視，清潔能源已成為一種有市場競爭力的能源形式。氫能源以高效、環保等優勢應用于汽車上，但由于制氫和運輸困難，尚未獲得大規模應用。生物燃油隨著柴油機性能的改善，已逐漸貼近了實際應用。鎳氫電池是近年來開發的一種新型電池，沒有記憶效應，沒有環境污染，廣泛應用在電動汽車上。燃料電池具有高的能量轉換效率且不污染環境，廣泛用于通訊、汽車等領域。美國在管型固體氧化物燃料電池(SOFC)研究上處于領先地位，德國SIMENS公司開展了平板型SOFC研究，但由于材料、結構、制造技術等問題，SOFC尚處于技術攻關階段。高溫超導材料作為一種新型節能材料，大幅提高電力生產、傳輸、分配和利用的效率，具有廣闊的應用前景。

四、先進低碳技術促進低碳經濟的發展

當今時代，高速發展的工業技術要求加工制造的產品精密化、輕量化、集成化；國際競爭更加激烈的市場要求產品性能高、成本低、周期短；日益惡化的環境要求材料加工過程中能耗低、碳排放量低。因此，需要探索先進材料加工技術，使材料由單一的傳統型向復合型、多功能型及低碳型方向發展。

(一)無模成形技術

無模成形技術是一種板料的柔性加工工藝，基本無需模具或只需簡單模具。該技術成本低，周期短，節省能源，顯著提高塑性成形的精度和效率，廣泛用于加工小批量多品種產品。在低碳經濟形勢下，一些新型的板料無模成形技術應運而生，帶來巨大的經濟價值。旋壓是一種典型的連續局部塑性成形工藝，精度高、柔性好、易于實現機械化與自動化、節約材料，是實現薄壁回轉體零件少無切削加工的先進制造技術，廣泛應用于航空航天、汽車制造、電子、化工等領域，已成為精密塑性成形技術的重要發展方向。數字化漸進成形是日本學者松原茂夫于20世紀90年代提出的，之后世界各國學者對該工藝的成形過程、成形機理、成形性等展開了廣泛的研究并取得突破。金屬板料數字化漸進成形技術易于實現自動化，廣泛用于航空航天領域，解決鈦板零件小批量多品種、回彈大和難成形問題。

成形錘漸進成形是90年代新興的加工技術，使用剛性沖頭和彈性下模，對板材各局部區域分別打擊成形所需形狀的加工工藝。日本靜岡大學對自由曲面的漸進成形工藝、加工路徑、工序控制等方面做了比較系統的研究，但我國尚未展開。成形錘漸進成形只是成形形狀比較簡單的工件，而且成形后留下大量的錘擊壓痕點，影響制品的表面質量，因而后續需要進一步研究處理。

(二)近凈成形技術

近凈成形技術是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機械構件的成形技術。它改造了傳統的毛坯成形技術，使得成形的機械構件具有精確的外形，高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。近凈成形技術是目前制造技術中發展較快的先進技術，使機械產品毛坯成形實現由粗放到精化的轉變，使外部質量做到無余量或接近無余量，內部質量做到無缺陷或接近無缺陷，實現了優質、高效、輕量化、低成本的加工，021廣泛用于機械零件制造上。美國、日本等利用氣化模鑄造、樹脂自硬砂組芯造型等近凈成形技術加工制造汽車模具、飛機用高強超硬鋁合金及鋁鋰合金零部件等，取得了巨大的技術經濟效益，如汽車缸體鑄件已經做到壁厚在3mm～4mm。計算機的發展、非線性問題計算方法的改進，推動了非線性有限元等技術發展，近凈成形正向虛擬制造和網絡制造方向發展，并且將由宏觀模擬進一步向微觀的組織模擬和質量預測方向發展。近凈成形技術改善了生產條件，減少對環境的污染，成為一種清潔的綠色生產技術，為可持續發展創造有利條件。

(三)內高壓成形技術

目前，減輕重量以節約能耗、降低排放是航空航天領域及汽車工業應對全球能源危機和環保壓力的主要措施。采用輕質材料是實現結構輕量化的主要手段，而內高壓成形是生產輕質復雜零件的理想方法。內高壓成形也稱為液壓成形工藝，以管材作坯料，通過管材內部施加高壓液體和軸向進給把管材壓入到模具型腔使其成形為所需形狀的工件。美國T．Altan教授主要進行管材液壓成形性能、成形加載路徑，有限元自適應仿真方面的研究。日本主要研究成形工藝參數和設備性能，極大的提高了管材成形極限。在這方面我國研究起步較晚，用液壓成形工藝制造汽車、飛機等機械零件尚處于起步階段。內高壓成形工藝是一種先進的柔性加工技術，用來整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，成形精度高、制造柔性化、節省能源、降低材料消耗、節約成本，有著廣泛的應用前景與發展潛力。鋁合金、鎂合金、鈦合金室溫下成形性差，采用常溫液壓成形方法很難成形復雜零件，這時常采用熱介質成形，㈣即將管材、模具和液體介質加熱到一定溫度而成形的空心變截面零件，可顯著提高管材內壓成形極限、增加零件復雜程度，廣泛用于航空航天以及汽車領域。根據目前的應用現狀，內高壓成形正向著雙層管的液壓成形、拼焊管液壓成形和熱態介質內高壓成形方向發展。

(四)綠色制造技術

綠色制造技術是在保證產品的功能、質量、成本的前提下，綜合考慮環境影響和資源效率的新型制造模式。綠色制造可最大限度地提高資源利用率，減少資源消耗，降低成本，減少或消除環境污染，實現經濟效益和社會效益協調優化。㈣少無切削加工技術是一種精密成形加工方法，可以大大減少機械加工余量，節省能量，目前在機械加工中廣為使用。快速原型制造技術則是綜合利用激光技術、CAD技術和數控技術而形成的少無切削加工的高新技術，節約資源，減少加工廢棄物，是很有發展前途的綠色制造技術，廣泛應用于模具制造、產品開發、醫療器械等領域。超高速加工技術是近年來發展起來的一種集高效、優質和低耗于一身的先進制造工藝技術。該技術既可保證加工質量和提高加工效率，又能降低能源消耗，減少碳的排放，是綠色制造技術未來的發展方向。虛擬制造技術(VMT)是以信息集成為基礎的一種先進制造技術。在虛擬制造環境中生成軟產品原型，代替傳統的硬樣品進行實驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而節省能源和原材料，縮短產品開發周期，降低成本。該技術應用在飛機、汽車等領域，美國波音公司在777新型客機機型設計中，利用VMT和三維模型進行管道布線等復雜裝配過程的模擬，獲得了前所未有的成功。

五、結束語

低碳經濟是世界經濟可持續發展的必由之路，也是現階段社會經濟發展的內在要求。在全球氣候變暖、環境惡化與資源面臨枯竭的形勢下，必須將材料科學技術和低碳經濟緊密結合起來，開發新材料和先進低碳技術，以促進低碳經濟快速穩定的發展。