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(huán)境污染問題，追求材料產(chǎn)業(yè)與資源環(huán)境協(xié)調(diào)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全球共識。

《Science》于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(fā)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(shè)計、研發(fā)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(huán)境惡化等挑戰(zhàn)，應對材料產(chǎn)業(yè)基于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(xù)發(fā)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(huán)境污染的有效途徑，進入21世紀以來，引起各國重視并得到了廣泛發(fā)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(guī)模工業(yè)化發(fā)展，經(jīng)濟高速增長，但與此同時伴隨著資源、能源消耗與環(huán)境污染的急速增加，材料工業(yè)的能耗和產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的污染物排放等問題愈加凸顯。

如我國材料工業(yè)能耗已超過全國總能耗的45%、工業(yè)總能耗的65%，材料工業(yè)發(fā)展帶來的SO2、廢水、固體廢棄物、煙塵排放分別占工業(yè)總量的32%、48%、60%、94%，加劇了資源能源緊缺、生態(tài)環(huán)境惡化。

黨的十八大以來，我國已將生態(tài)文明建設(shè)作為基本國策，推動工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。材料產(chǎn)品是人類生存、國民經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)與戰(zhàn)略先導，在我國倡導生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式應從重產(chǎn)量、重成本、重性能，逐漸向注重性能-資源/能源-環(huán)境多維協(xié)調(diào)的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。

20世紀90年代初出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境材料（Ecomaterials）概念，曾賦予材料及其產(chǎn)業(yè)以環(huán)境協(xié)調(diào)功能。

隨著各類材料基礎(chǔ)研究和應用技術(shù)日趨完善、學科交叉日漸豐富、大數(shù)據(jù)技術(shù)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(shè)計、節(jié)能減排與循環(huán)利用技術(shù)等單項研發(fā)努力，認識趨向必須基于全生命周期方法的材料生命周期工程，要求從材料產(chǎn)品設(shè)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(huán)境影響進行關(guān)聯(lián)量化分析的基礎(chǔ)上，追求全產(chǎn)業(yè)鏈條的最優(yōu)化，并通過在材料制造、使用、回收等環(huán)節(jié)中持續(xù)地進行技術(shù)創(chuàng)新與工藝優(yōu)化，有效降低材料產(chǎn)品全生命周期的綜合環(huán)境負荷。

據(jù)有限統(tǒng)計，美國、意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(chǎn)出國，共103篇，占比42.92%；中國22篇居第4，占比9.17%；丹麥理工大學發(fā)表論文占比3.33%，第1產(chǎn)出機構(gòu)。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制造戰(zhàn)略在全產(chǎn)業(yè)鏈的延伸與擴展，追求滿足使用性能、保護環(huán)境、促進經(jīng)濟發(fā)展為協(xié)同目標，將其理論與技術(shù)應用到產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)中，綜合優(yōu)化產(chǎn)品在生命周期中的成本、性能與環(huán)境表現(xiàn)，是一個涵蓋產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計、綠色工藝規(guī)劃、綠色制造、清潔生產(chǎn)、綠色包裝、維修、再制造、再利用等諸多研究內(nèi)容，由制造科學、管理科學和環(huán)境科學深層次交叉而形成的國際重要科學與技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域。

在全球為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的奮斗進程中，生命周期工程研究與實踐迎來了前所未有的發(fā)展良機，綠色制造與智能制造相結(jié)合是材料工業(yè)踐行生態(tài)文明與可持續(xù)發(fā)展的重要方向，生命周期工程的研發(fā)與應用機遇與挑戰(zhàn)并存。

需要基于生命周期視角的基礎(chǔ)理論方法指導，面臨生命周期工程基礎(chǔ)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(tài)設(shè)計理論與實踐仍需進一步完善等。

在實施的操作層面，基礎(chǔ)材料生產(chǎn)流程工業(yè)大數(shù)據(jù)獲取、甄別和聚類匯集等技術(shù)，仍然是制約生命周期工程發(fā)展的瓶頸。

北京工業(yè)大學材料學院生態(tài)環(huán)境材料研究所自20世紀90年代開始，致力于材料生命周期評價理論與方法、材料環(huán)境負荷評價數(shù)據(jù)庫及分析軟件和材料生態(tài)設(shè)計、資源材料循環(huán)等研究應用開發(fā)與專業(yè)人才培養(yǎng)，近30年堅持探索開拓材料生命周期工程。

2016年經(jīng)北京市推薦國家發(fā)改委“工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術(shù)國家工程實驗室”建設(shè)，獲批準針對工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)全生命周期質(zhì)量管控和評價不足等問題，開展流程工業(yè)及產(chǎn)品的全生命周期多維評價大數(shù)據(jù)技術(shù)研發(fā)和工程化，以提升鋼鐵和有色冶金、建材和化工等大宗基礎(chǔ)材料生產(chǎn)流程以及關(guān)鍵零部件制造流程的綠色制造技術(shù)水平，滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和國家重大工程需求。

生命周期工程是多專業(yè)多領(lǐng)域相融合的工程研究，是一項龐雜的系統(tǒng)工程，更是實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標的關(guān)鍵途徑。生命周期工程實踐迫切需要各相關(guān)領(lǐng)域的科技工作同仁共同攜手、肩負使命、勤于探索、勇于實踐，為實現(xiàn)人類社會的綠色發(fā)展貢獻力量。

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聶祚仁，中國工程院院士，難熔金屬粉末冶金和鋁合金領(lǐng)域?qū)＜?，現(xiàn)任北京工業(yè)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(lǐng)域教學與科研工作，致力于材料全生命周期環(huán)境友好發(fā)展。在難熔金屬、鋁合金等方面取得系列原創(chuàng)性和工程應用成果。帶領(lǐng)團隊研制出多元復合稀土鎢電極及鎢鈷鎳再生粉末技術(shù)、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(shù)實際應用。