發(fā)布時(shí)間：2022-01-01 00:01

　　月球基地建設(shè)是人類開展深空探測(cè)的初步任務(wù),原位利用月球資源對(duì)于實(shí)現(xiàn)月球基地建設(shè)具有重要意義.本文以月球基地建設(shè)中對(duì)高性能材料的需求為出發(fā)點(diǎn),研究了模擬月壤的組成、晶相結(jié)構(gòu)、熔融特征和成纖行為.研究結(jié)果表明,月壤與地球玄武巖礦石具有相近的化學(xué)成分和礦物相組成,模擬月壤在1332℃完全熔融并在淬冷后轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)玻璃體.采用熔融-牽引法獲得了單絲拉伸強(qiáng)度超過1400 MPa的月壤基連續(xù)纖維,該強(qiáng)度接近目前商業(yè)化的玄武巖纖維.研究結(jié)果證實(shí)原位利用月壤制備連續(xù)纖維具有一定的可行性,基于月壤纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料有望為未來月球基地建設(shè)提供原材料保障. 

【文章來源】：中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2020,50(12)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)模擬月壤和不同地區(qū)玄武巖礦石的XRD譜圖

采用同步熱分析研究模擬月壤在加熱熔化過程中發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng),結(jié)果如圖3所示.從熱重(TG)曲線上看,樣品在室溫至570°C范圍有0.55%的失重,主要為樣品吸附水分揮發(fā)以及鹽類水合物礦物分解而導(dǎo)致的失重;在570°C～1061°C范圍有0.30%的增重,主要為樣品中磁鐵礦相等在空氣氛圍被氧化增重;在1061°C～1400°C范圍有0.58%的失重,主要為樣品中鹽類礦物分解失重.與TG曲線相對(duì)應(yīng),樣品的差式掃描量熱(DSC)曲線出現(xiàn)了3個(gè)吸熱峰和2個(gè)放熱峰.第1個(gè)吸熱峰(峰值約為97°C)是由樣品本身吸附的水分揮發(fā)引起的;第2個(gè)吸熱峰(峰值約為780°C)主要為樣品熔融吸熱,表明在該溫度附近樣品開始熔化,液相開始出現(xiàn);第3個(gè)吸熱峰(峰值約為1332°C)主要為樣品熔融吸熱以及樣品中鹽類礦物分解吸熱,且當(dāng)溫度超過1332°C,再無吸熱放熱峰出現(xiàn),表明樣品已完全熔化.另外,DSC曲線上出現(xiàn)的第1個(gè)放熱峰(峰值約為837°C)主要為樣品中磁鐵礦相等氧化放熱;第2個(gè)放熱峰(峰值約為1031°C)主要為樣品析晶放熱,在該溫度下,熔化的樣品由于化學(xué)鍵的斷裂和重組而形成新的化合物,這些化合物分子聚集后形成晶核,當(dāng)達(dá)到一定大小后出現(xiàn)獨(dú)立晶相,即析出晶體[33],因此該溫度為月壤樣品的最高析晶溫度.通過DSC曲線可以確定模擬月壤樣品的初始熔融溫度為780°C、最高析晶溫度為1031°C、完全熔化溫度為1332°C.這些熱力學(xué)參數(shù)與玄武巖礦石熔化制備纖維過程的參數(shù)相似.因此通過這些參數(shù)的調(diào)整有望利用模擬月壤來制備連續(xù)纖維,即樣品熔化溫度要高于1332°C、纖維成型溫度(即拉絲漏板溫度)應(yīng)比析晶溫度高80°C左右[34],否則纖維拉絲過程中將會(huì)有晶體析出并導(dǎo)致纖維斷絲.3.4 月壤基連續(xù)纖維形貌分析

通過對(duì)模擬月壤組成、結(jié)構(gòu)及熱學(xué)性能進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)該模擬月壤可用于制備連續(xù)纖維,依據(jù)3.3節(jié)中確定的熱力學(xué)參數(shù),我們?cè)O(shè)定爐腔溫度1400°C、漏板溫度1110°C進(jìn)行拉絲,獲得3種不同直徑的月壤基連續(xù)纖維.圖4為模擬月壤和拉絲速度分別為4,8,10 m/s所制備的月壤基連續(xù)纖維在不同放大倍數(shù)下的SEM照片.從圖中可見模擬月壤樣品(圖4(a)和(b))呈現(xiàn)形狀不規(guī)則的顆粒狀,具有典型的研磨形成的顆粒特征,并伴隨有邊緣鋒利的碎片和大小不一的孔洞,孔洞中填充有尺寸較小的顆粒.孔洞的存在主要是由于模擬月壤初始物質(zhì)取自火山渣,呈現(xiàn)蜂巢或泡沫狀結(jié)構(gòu)[24],樣品經(jīng)過破碎、研磨等過程后仍然保持火山渣的特征.不同拉絲速度下制備的月壤基連續(xù)纖維(圖4(c)～(h))外表均呈現(xiàn)光滑的圓柱狀結(jié)構(gòu),這是因?yàn)槔w維在成纖過程中礦石熔融體在表面張力的作用下收縮成體積最小的圓形并在快速冷卻凝固時(shí)保持此形狀.對(duì)不同拉絲速度下纖維的直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(結(jié)果見表2),發(fā)現(xiàn)纖維直徑隨拉絲速度的增加逐漸減小,這是由于在纖維成型過程中熔融體經(jīng)歷了一個(gè)同時(shí)伴隨有凝固和外力牽引而變長(zhǎng)、變細(xì)的過程[35],在這一過程中拉絲速度越快,單位時(shí)間內(nèi)拉出的纖維越長(zhǎng),纖維的直徑就會(huì)越小.3.5 月壤基連續(xù)纖維相結(jié)構(gòu)分析

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于嫦娥四號(hào)月球車圖像的地形遮擋高精度預(yù)報(bào)試驗(yàn)研究[J]. 馬友青,彭松,溫博,賈陽,申振榮,亓晨,張爍,楊歡,司馬兵,王楷文,劉少創(chuàng).  中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2020(01)
[2]高強(qiáng)混凝土的制備及其力學(xué)性能分析[J]. 趙書勤.  技術(shù)與市場(chǎng). 2019(12)
[3]模擬月壤成型研究現(xiàn)狀[J]. 宋蕾,徐佼,唐紅,范樹遷,劉建忠,李雄耀,劉基權(quán).  礦物學(xué)報(bào). 2020(01)
[4]月面建造工程的挑戰(zhàn)與研究進(jìn)展[J]. 丁烈云,徐捷,駱漢賓,蔡禮雄.  載人航天. 2019(03)
[5]中國月球探測(cè)任務(wù)軌道確定技術(shù)及發(fā)展綜述[J]. 段建鋒,張宇,曹建峰,陳略,陳明,謝劍鋒.  深空探測(cè)學(xué)報(bào). 2019(03)
[6]月球基地建設(shè)方案設(shè)想[J]. 袁勇,趙晨,胡震宇.  深空探測(cè)學(xué)報(bào). 2018(04)
[7]GeS2-In2S3硫系玻璃的物化性質(zhì)與晶化行為研究[J]. 林常規(guī),翟素敏,李卓斌,屈國順,顧少軒,陶海征,戴世勛.  物理學(xué)報(bào). 2015(05)
[8]熔渣纖維化機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 張玉柱,張遵乾,邢宏偉,李杰.  鋼鐵. 2015(01)
[9]中國月球探測(cè)器發(fā)展歷程和經(jīng)驗(yàn)初探[J]. 葉培建,黃江川,孫澤洲,楊孟飛,孟林智.  中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2014(06)
[10]玄武巖特征及熔融析晶性能研究[J]. 童慶,樊霆,王浩明,孫禮明,黃界穎.  中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊. 2013(06)



本文編號(hào)：3561239