[發(fā)明專利]一種模擬月壤地聚合物材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010825502.3
• 申請日: 2020-08-17
• 公開（公告）號: CN111975937B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周思齊;李峰;張榮榮;馮錦艷;楊湛寧
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N1/38;B28B1/14;B28C1/18;C04B28/00
• 代理公司: 北京航智知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

1.一種模擬月壤地聚合物材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：原材料的選取與鑒別；

S1-1：從露天礦床中開采天然火山灰作為模擬月壤原材料，由顎式破碎機進行初步破碎；

S1-2：利用X射線衍射分析、X射線熒光光譜分析以及掃描電鏡觀察步驟S1-1得到的火山灰的礦物組成、化學(xué)成分和微觀形貌；

S1-3：將步驟S1-2的結(jié)果與已經(jīng)公開的美國阿波羅計劃取回地球的真實月壤數(shù)據(jù)資料對比分析，確定模擬月壤原材料與真實月壤的相似性：

X射線衍射分析步驟S1-1得到的火山灰的礦物組成，其中，原材料與真實月壤衍射峰80％以上重合或原材料的礦物成分包含輝石、斜長石、鈦鐵礦、橄欖石及尖晶石中的至少一種；

X射線熒光光譜分析步驟S1-1得到的火山灰的金屬氧化物成分，其中，金屬氧化物含量與真實月壤含量相同，允許誤差為±5％；

利用掃描電鏡觀察步驟S1-1得到的火山灰的微觀形貌為類似真實月壤的疏松多孔的破碎狀結(jié)構(gòu)；

原材料同時符合以上三條標(biāo)準(zhǔn)，則原材料與真實月壤的相似性良好，能夠作為原材料進行后續(xù)步驟；否則，原材料與真實月壤差異較大，不能作為制備模擬月壤的原材料；

S2：原材料預(yù)處理；

將步驟S1-1得到的模擬月壤原材料進行烘干去除表面及內(nèi)部的水分，再利用顎式破碎機破碎；

S3：模擬月壤級配設(shè)置及篩分；

S3-1：依據(jù)真實月壤級配進行模擬月壤級配設(shè)計，級配設(shè)計反映模擬月壤中各粒徑尺寸范圍的相對含量：模擬月壤顆粒粒徑的尺寸范圍在0.002mm至32mm之間，其中，

100％的顆粒粒徑尺寸小于32mm，允許誤差為±0％，

98.4％的顆粒粒徑尺寸小于8mm，允許誤差為±1％，

93.3％的顆粒粒徑尺寸小于2mm，允許誤差為±1％，

85.5％的顆粒粒徑尺寸小于0.5mm，允許誤差為±20％，

62.3％的顆粒粒徑尺寸小于0.125mm，允許誤差為±20％，

22.8％的顆粒粒徑尺寸小于0.031mm，允許誤差為±10％，

3.5％的顆粒粒徑尺寸小于0.0078mm，允許誤差為±1％，

0％的顆粒粒徑尺寸小于0.002mm；允許誤差為±0％；

S3-2：依據(jù)步驟S3-1的級配設(shè)計使用方孔篩對原料進行篩分，得到各粒徑范圍的原材料；

S3-3：將步驟S3-2得到的模擬月壤按步驟S3-1的級配設(shè)計進行復(fù)配計算，復(fù)配計算結(jié)果為：

8mm-32mm粒徑范圍的原材料占比1.6％，

2mm-8mm粒徑范圍的原材料占比5.1％，

0.5mm-2mm粒徑范圍的原材料占比7.8％，

0.125mm-0.5mm粒徑范圍的原材料占比23.2％，

0.031mm-0.125mm粒徑范圍的原材料占比39.5％，

0.0078mm-0.031mm粒徑范圍的原材料占比19.3％，

0.002mm-0.0078mm粒徑范圍的原材料占比3.5％；

S3-4：用步驟S3-3的復(fù)配結(jié)果中各顆粒范圍的相對含量的百分?jǐn)?shù)乘以所需原料的總質(zhì)量，得到各粒徑范圍原材料所需質(zhì)量配方，稱量步驟S3-2中篩分得到各粒徑范圍的原材料，混合并攪拌均勻，得到模擬月壤；

S4：制備模擬月壤地聚合物；

將步驟S3-3得到的模擬月壤與堿激發(fā)劑進行拌和，制備地聚合物材料漿體，倒入模具成型模擬月壤地聚合物試塊；

S5：養(yǎng)護溫度方案設(shè)計；

基于美國Diviner探測器探測到的月表溫度數(shù)據(jù)確定養(yǎng)護溫度，Diviner探測器測試并記錄了月球不同緯度表面溫度隨時間的變化，其中，時間為月球當(dāng)?shù)貢r間，記錄周期為24個月球時，數(shù)據(jù)間隔為1個月球時，即每個緯度每1個月球時對應(yīng)一個溫度數(shù)據(jù)，共計25個數(shù)據(jù)；

緯度為0°時，月表溫度從0時至24時依次為102.15、100.12、98.49、97.26、96.04、95.63、132.31、263.91、317.29、350.29、372.70、386.15、391.44、386.96、373.52、351.92、318.92、267.58、162.86、117.64、111.93、108.67、105.82、103.78、101.34；

緯度為30°時，月表溫度從0時至24時依次為99.30、97.67、96.45、95.23、94.00、93.19、129.05、252.10、303.84、335.62、356.40、368.63、372.70、369.44、357.63、336.85、306.69、256.58、157.57、114.38、109.49、105.41、102.97、101.34、99.30；

緯度為45°時，月表溫度從0時至24時依次為94.82、93.60、92.37、90.75、90.34、89.52、123.34、237.02、287.54、316.88、336.03、347.44、350.70、347.85、337.25、318.10、289.99、243.95、151.86、110.71、105.01、101.75、99.30、97.67、95.23；

緯度為60°時，月表溫度從0時至24時依次為89.12、87.89、86.67、85.45、84.63、83.41、113.97、209.31、259.84、287.14、304.25、314.03、317.29、314.44、305.06、289.58、264.32、221.13、140.86、103.78、98.49、95.23、92.78、90.75、89.12；

緯度為70°時，月表溫度從0時至24時依次為83.00、81.78、80.56、79.34、78.11、78.11、105.41、185.27、232.54、256.58、273.28、281.43、284.69、282.25、274.10、259.84、237.43、197.09、130.68、96.04、91.15、88.30、85.86、84.23、82.60；

緯度為80°時，月表溫度從0時至24時依次為72.00、71.19、69.97、69.15、68.34、69.97、92.37、143.71、184.46、209.31、224.80、233.76、237.02、235.39、228.06、216.65、195.46、164.09、118.04、86.67、79.34、76.89、75.26、73.22、72.00；

緯度為85°時，月表溫度從0時至24時依次為62.63、61.41、61.00、60.59、62.63、69.56、83.41、106.64、133.93、154.71、170.61、178.75、183.24、182.83、177.94、168.98、155.12、136.38、111.93、89.52、75.26、68.74、66.30、64.67、62.63；

溫度數(shù)據(jù)單位為K；依據(jù)以上溫度數(shù)據(jù)確定養(yǎng)護溫度，具體方法為：

S5-1：將月球時間換算為地球時間：

將Diviner探測器測得的月表溫度數(shù)據(jù)的對應(yīng)時間擴大30倍，得到以720小時地球時為一個周期的不同緯度月表溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，每兩個數(shù)據(jù)點之間間隔30小時地球時，共計25個數(shù)據(jù)點；

S5-2：將步驟S5-1中的溫度數(shù)據(jù)做線性插值，以1小時地球時作為數(shù)據(jù)間隔，得到721個數(shù)據(jù)點；

S6：模擬月球?qū)嶋H溫度和真空環(huán)境對模擬月壤地聚合物試塊進行養(yǎng)護；

變溫控制：由步驟S5的結(jié)果，確定模擬緯度的月表溫度，在進行模擬月壤地聚合物材料養(yǎng)護時，依據(jù)步驟S5-2中線性插值擴充后的月表溫度數(shù)據(jù)，每1個小時地球時調(diào)節(jié)真空養(yǎng)護箱的溫度，實現(xiàn)養(yǎng)護溫度與所選緯度下的月表溫度變化規(guī)律一致；

真空抽氣：采用真空泵抽氣至真空狀態(tài)，模擬月球上養(yǎng)護的真空狀態(tài)；

水分收集：在模擬月壤地聚合物試塊完全養(yǎng)護完后，調(diào)節(jié)溫度至105-120℃，使水蒸氣蒸發(fā)，5-10分鐘后，打開真空泵抽氣，水蒸氣隨抽氣過程進入水分收集系統(tǒng)進行冷凝回收，之后，取出模擬月壤地聚合物試塊；

模擬月壤地聚合物試塊的養(yǎng)護通過真空水循環(huán)控溫箱實現(xiàn)，所述真空水循環(huán)控溫箱包括真空養(yǎng)護箱(1)、水分收集系統(tǒng)(2)、真空泵(3)、蓄水槽(4)、平衡氣閥(5)、抽氣閥(6)，其中，

所述真空養(yǎng)護箱(1)一側(cè)設(shè)置平衡氣閥(5)，底部設(shè)置坡度和蓄水槽(4)，所述真空養(yǎng)護箱(1)能夠在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溫度，即在模擬月壤地聚合物試塊模擬月球環(huán)境養(yǎng)護過程中，所述真空養(yǎng)護箱(1)能夠按照選取的月球緯度，根據(jù)線性插值得到的對應(yīng)緯度下月表實際溫度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)所述真空養(yǎng)護箱(1)箱體內(nèi)的溫度，使其與月表實際溫度隨時間變化規(guī)律相同，進而模擬月球溫度環(huán)境；所述蓄水槽(4)用于收集養(yǎng)護過程中冷凝的水；

所述水分收集系統(tǒng)(2)與所述真空養(yǎng)護箱(1)通過管道相連接，所述水分收集系統(tǒng)(2)內(nèi)置圓筒，所述圓筒內(nèi)部實現(xiàn)水蒸氣的冷凝，所述圓筒外部為冷凝循環(huán)水，用于水蒸氣的冷凝收集；

所述真空泵(3)一端與所述水分收集系統(tǒng)(2)通過管道相連接，一端與抽氣閥(6)連接，抽取整個所述真空水循環(huán)控溫箱中的空氣，模擬月球真空；

所述真空水循環(huán)控溫箱能夠同時進行變溫控制、真空抽氣和水分收集；

S7：強度測試；

采用萬能試驗機對得到的模擬月壤地聚合物進行抗壓強度測試。