第9章-材料经济学(2学时)

UJS—DaiQX主要内容1材料经济学的几个基本概念2材料的循环3材料的选用与竞争4材料经济分析基本要求:了解材料循环、绿色材料技术和材料经济分析的基本概念。教学课时:2学时第8章材料经济学UJS—DaiQX材料的五个现代判据：能源、资源、环境、经济和质量材料的现代判据8.1几个概念UJS—DaiQX宏观材料学宏观材料学着眼于从整体上分析材料的问题，即将材料整体作为研究对象，作为一个系统，考察材料与社会环境之间的相互作用及关系，分析在环境的影响下材料内部宏观组元的自组织问题。所以，宏观材料学是讨论材料与社会、环境的关系。主要内容是以经济为线索，贯穿材料宏观现象的研究。UJS—DaiQX循环型材料产业循环经济的三个基本原则：减量（Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）,即三R原则.材料产业应适应时代的需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料的利用率、降低生产和使用过程中环境的负担，并且要研究其评价体系和使用方法。用全生命周期思想考虑材料设计与生产是必然趋势。UJS—DaiQX材料经济学主要的内容是对材料的生产、应用、交换、分配、研究、发展和规划等活动进行经济效益和社会效益或潜在应用前景的分析和评价。应用价值价格理论来分析单个经济的经济活动.材料产品的成本分析,产品销售的经济评价,材料发展的经济评价,材料选用的经济分析等.材料的大循环；材料工业的布局、发展规划、技术政策；材料生产结构和消费结构的经济评价等。宏观材料经济学微观材料经济学UJS—DaiQX8.2材料的循环1生态材料定义生态材料（Ecomaterials）是主动开发的与生态环境相协调的材料.目前主要是生物质材料（BiomassMaterials）主要有四大类：淀粉与可生物降解塑料混炼、二氧化碳共聚物、生物合成可生物降解塑料和生物合成前体再化学聚合生成可生物降解塑料。生物质聚合物定义：生物质聚合物是由可再生资源（如淀粉、秸杆等）、二氧化碳等为原料生产的聚合物。UJS—DaiQX传统材料到生态材料评价目标的变化重视环境功能第一耐久性大量消费废弃个别特殊后处理追求质量质量适宜分解性节能省资源回收再利用通用前预防UJS—DaiQX塑木复合材料（Wood-PlasticComposites，简称WPC）是利用自然作物废弃物的天然纤维填充、增强PVC等热塑性新料或回收塑料的新型改性材料。自然作物废弃物很广，如木材的下脚料、刨花、木粉，花生、稻米等谷物加工后剩余的糠皮，芦苇、向日葵等农作物的茎、杆等都可用于WPC的生产原料。主要应用领域：建筑、汽车装饰、室内装潢，其它物流、交通等行业的隔板、储存箱等。塑木复合材料为人们同时处理农林业废弃物和工业废弃塑料提供了一条新的思路。全球需求量不断地升高.例8-1塑木复合材料UJS—DaiQX2再生材料未来再生材料产业将大幅度地替代传统的原生资源材料产业，并以采用价值链为主要驱动力带动整个循环经济的快速发展。图循环经济发展模式下的制造业产业链UJS—DaiQX我国二次资源的利用率很低，材料的废品回收总量远低于国外水平。如再生金属铅的比例仅是国外的50%,项目名称国内国外回收率/%消耗煤kg/t铅85~88500~60095350综合回收利用情况合金中锑元素回收率仅为60%综合回收率高，锑回收率在90%以上生产集中度生产能力在1000t以上的极少，大部分为1000t以下生产规模在2万吨以上，有的甚至达到几十万吨环境保护熔炼过程中产生大量的SO2气体及铅蒸汽，废气中铅含量超过国家标准，烟尘浓度和铅尘浓度分别达360mg/m3和34mg/m3，整个过程产生的污染远远高于国家规定的排放标准生产过程不产生飞尘，能彻底根除SO2气体产生；熔炼炉密封性好，烟尘少，基本上不产生铅蒸汽，无污染，烟尘浓度和铅尘浓度只有24mg/m3和0.025mg/m3UJS—DaiQX3绿色材料技术在产品整个生命周期内，以产品环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性等）作为设计目标，同时要保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。绿色设计原则被公认为“3R”的原则，即Reduce,Reuse,Recycle，减少环境污染、减小能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。绿色设计（GreenDesign）也称生态设计(EcologicalDesign),环境设计（DesignforEnvironment）,环境意识设计（EnvironmentConsciousDesign）UJS—DaiQX主要强调要重视传统工艺和生产流程的改造，材料生产过程中的节能与环保。国家政策:从2005年开始，我国将逐步出台有关政策限制和停止高能耗加工贸易.并分别停止或下调了钢铁初级产品、稀土金属、稀土氧化物、煤炭、有色金属及其制品的出口退税。很重要的措施是积极开发和采用新工艺、新技术，特别是在传统材料产品产业中，潜力很大。UJS—DaiQX例8-3粉末注射成形粉末注射成形（PowerInjectionMolding，PIM）是制备三维复杂形状的近终成形技术，是制造各种零件的高效、节能、节材、环境友好、低成本、大批量生产的工艺.PIM制备的产品密度高而组织均匀，性能高而各向同性。广泛用于钟表、医疗器械、通用机械、五金工具、电子通信、仪器仪表、纺织机械等许多领域。UJS—DaiQX8.3材料的选用与竞争8.3.1材料选用的基本原则1)材料使用性能要求→最大限度发挥材料潜力2)材料的工艺性能→加工工艺性能良好3)经济性涉及材料的价格、加工成本、国家资源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系5)其它因素毛坯选择、生产可能性等4)环境协调性→能源\资源\环境因素UJS—DaiQX8.3.2各类材料的竞争1材料的生命周期珀尔曲线的数学表达式是新产品销售量的典型曲线：ktbeLN1戈珀资曲线的数学表达式为：)exp(ktbLeN曲线的拐点位置为：t=(lnb)/k，N=L/e,是不对称的.曲线的拐点（d2N/dt2）位于t=(lnb)/k所对应的N=L/2,将曲线分成对称的两部分.UJS—DaiQX2材料的竞争材料和事物的生命周期有同样的变化规律，也有孕育期、发展期、成熟期和衰退期.社会总是选择性价比好的材料，即物美价廉的材料.材料之间的替代曲线类似于生长曲线.材料的竞争历来有之，只是在现代社会经济中表现得更为突出、更为激烈。竞争形式各大材料类之间的竞争，材料种类的竞争，传统材料的改革，新材料、新工艺的开发等。UJS—DaiQX各大材料类之间的竞争例8-6汽车轻量化首先是普通钢板、管棒材用量明显减少，高强度钢和先进高强度钢的用量增加;其次，铝合金用量↑↑，它是汽车轻量化的重要材料。车身结构、框架、覆盖件和车轮等有大量应用;三是塑料及纤维复合材料的应用也日益增加，它是汽车轻量化的有效材料。四是镁合金用量逐年增加，锌铸件不断地在减少。汽车工业三大问题油耗、安全和环保采用高强度轻量化材料和相关的应用技术UJS—DaiQX材料种类之间的竞争例如：金属材料大类中钢铁材料之间的竞争;钢铁材料与非铁金属材料之间的竞争;各钢种之间的竞争，如高速钢类;高分子有机材料的不断更新与替换;绿色有机材料的崛起;有色金属材料中的铜、铝、锌等之间也都有竞争与替代。UJS—DaiQX传统材料的改进改进措施主要有优化材料成分、革新或创新制备工艺。国家标准相应的国家材料标准和有关工艺标准要不断地更新，特别是有害元素要严格地控制。例如，我国在2005年规定将禁止生产和使用包括低档建筑涂料在内的6大类10种建材产品。在中国加入WTO后，国家制订的标准更应向国际化靠拢或采用和国际标准相似的标准要求。改进材料制备工艺目的较多，提高材料的性能，或提高生产效率，或降低生产成本，更重要的是有些工艺改进后可大为改善能源、环境和资源等指标，朝着绿色加工技术的方向发展。UJS—DaiQX例8-7粉末锻造连杆粉末锻造是由粉末冶金和锻造相结合的一种新的金属成形工艺或新材料技术。既是新工艺，也是新材料。特点粉末锻造零件的力学性能高，形状与尺寸精度好，生产工艺可靠性高，价格可行，受到广泛的肯定。2005年在美国底特律举办的美国汽车工程师学会100周年世界大会上，粉末锻造与C-70钢锻造连杆双方发生了激烈的论战.UJS—DaiQX新材料的开发新材料开发可以说在世界上是风起云涌。如能源材料、生态环境材料、电子信息材料、各种功能材料、生物医用材料、航空航天及军用材料等都是世界上研究开发的热点。即使是传统使用的材料，也进行了巨大的革命，不仅是在传统理论上有了很大的突破，而且在实际应用方面也取得了杰出的成就。开发的新材料许多是应用在高新技术上，也有很多是替代了传统材料。UJS—DaiQX8.3.3材料竞争的国际化如菲利普公司计划在2006年前采用新的投资战略，以实现公司的战略转型，确保其可持续发展的稳定性。不仅要保持其核心技术与许多产品的世界领先地位，同时还将通过专利核心技术等措施实现其利益的最大化目标。高新技术经济发展的核心国家安全的保障材料开发是关键国家实力的竞争材料研究已进入白热化程度采取新的战略方针/投资策略UJS—DaiQX例8-10材料生产企业的竞争策略合并/重组战略意图:提高效益,开拓、分化、垄断材料市场欧洲钢铁集团通过重组,形成了北方、科罗斯、TK和意大利里瓦集团四大家.钢铁产业为例日本将50家钢铁企业合并重组了新日铁、NKK、住友、川畸和神户等五大联合企业.而新日铁又重组了热轧板、冷轧板、冷轧硅钢片为主的生产基地UJS—DaiQX例8-11国家战略竞争,争夺制高点1958年美国国防部就设立了“国防高级研究局”,以新的管理思想和模式鼓励创新研究,创造军事技术的新思想、新方法和新技术.敢于承担风险,愿意资助其他部门淘汰的高风险项目,也支持一些所谓的“疯子项目”(crazyproject).几十年的成就表明,这是一个“成功的风险投资者”,是“美军探索高技术的窗口”.美国总统办公厅科技政策室在1995年发布的《国家关键技术报告》中明确指出,新材料技术是关系美国国家经济繁荣和国家安全的七大关键技术之一.欧洲各国、日本等发达国家都制定了新材料研究和发展规划,政府在经费方面都进行了倾斜.UJS—DaiQX8.4材料经济分析材料商品的经济分析符合一般商品的市场流通规则，遵循一般商品的价格经济效益规律，即收益递减律和商品价格规律。可以说，有形的产品都是由各种不同的材料制造的。零部件或产品选择材料的经济分析是指企业使用材料制造零部件或产品过程的经济分析，零部件材料的选择涉及因素较多，分析也比较复杂。UJS—DaiQX8.4.1材料经济分析方法1收益递减律产出量（g）应是众多投入因素的函数：),,,,,,(zyxfg当其它因素不变时，某因素对产出量g的贡献可用偏导数表示，这偏导数称为该因素对g的边际产出。因此，dxxfxgx0)(函数g(x)是其它投入量不变时就产出量g与x的关系，叫做产出函数或收益函数。UJS—DaiQX求获利最大时的投入量x：0)(xgdxd即曲线的切线斜率为1时的x,对应图中的C点。如取平均每投入单位x获利最大为判据，则：0xxgdxdxgdxdg切点B满足这个条件.用投入的平均产出（g/x）及边际产出（dg/dx）作判据，两者所获最大利润所对应的x值是不同的。UJS—DaiQX2商品价格商品价格是由买卖双方共同确定的。如图9.16所示，由买方的需求曲线（DD）和卖方的供给曲线（SS）的交点A来确定价格。设消费者要消耗商品1，2，3，…，n，消费量分别为x1，x2，x3，…，xn,则效用u是它们的函数，即：),,,,(321nxxxxfu类似于前面的投入与产出关系一样，获得i商品的效用为ixiidxxfxui0)(UJS—DaiQX3材料的成本效益分析1)材料单位成本分析RLFMNTXNTP式中，M为材料的单位成本，F为后道精加工及装配调整的单位成本，L为每一件产品对劳务及固定成本所承担的分额（可用单位时间的成本表示），R