[發明專利]一種模擬月壤地聚合物材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010825502.3
• 申請日: 2020-08-17
• 公開（公告）號: CN111975937B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 周思齊;李峰;張榮榮;馮錦艷;楊湛寧
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N1/38;B28B1/14;B28C1/18;C04B28/00
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明公開了一種模擬月壤地聚合物材料的制備方法，考慮月壤實際級配，同時模擬月球實際溫度和真空環境進行養護，使地聚合物材料的制備與養護更加貼近月球的真實場景，更具實際應用效果，同時進一步提升地聚合物材料強度。另一方面，本發明涉及的真空水循環控溫箱可以模擬月球真空環境和月球實際溫度，水分收集裝置可以循環利用模擬月壤地聚合物的水分。

技術領域

本發明屬于月球原位資源利用技術領域，尤其涉及一種模擬月壤地聚合物材料的制備方法。

背景技術

月球是離地球最近的天體，擁有獨特的宇宙空間環境、絕佳的太空觀測位置和豐富的礦產資源，這使月球成為深空探測任務的重要中轉站。目前，登月開發月球資源和建設月球基地已成為航天大國和航天新興國家競爭的焦點。月球建筑材料的開發對提高月球基地的功能和交通運行效率至關重要。一方面來講，月球建筑材料可以用于月球庇護所的搭建，用于防止隕石撞擊和太空輻射的正面影響；另一方面，月球建筑材料可以用于月球道路的建設，有效提升月球運輸設備的速度和安全性，提高人員和貨物的運輸效率，從而提高月球科研活動的效率。

月球建筑材料的取材十分重要，考慮到將大體量的材料從地球運輸到月球的難度和極高的成本，通過月球原位資源利用技術，即利用月球上現有的資源生產建筑材料是解決月球基地建設原材料問題的關鍵。具體現有相關研究為：一些研究人員利用富含硫的月球土壤來生產硫磺混凝土。雖然這種方法解決了原料來源的問題，但是當溫度達到119℃時，硫磺混凝土會熔化變形，而月球表面的最高溫度可以達到125℃，這極大地限制了硫磺混凝土的應用。另一種方法是利用高溫光束聚焦陽光，固化月球土壤，用于鋪設月球表面。然而，材料內部的熱應力會導致月壤板的翹曲變形，不符合實際施工要求。其他研究發現月球土壤是一種富含硅和鋁的無機礦物材料。近年來，隨著對地聚合物材料性質和反應機理的深入研究，提出了利用月球土壤合成地聚合物生產月球建材的新方案。

地聚合物是Davidovits在20世紀80年代發現的一種新型無機高分子膠凝材料。其是一種用堿活化富含硅和鋁的前驅體材料合成的具有共價鍵合聚合物結構的硅酸鋁材料。與普通硅酸鹽水泥相比，具有高力學強度、耐高低溫、耐輻射、耐凍融、更好的耐久性、低收縮率等優點。此外，月球極地地區可能存在的水和冰也能為地聚反應提供水分子。因此，利用地聚合物技術制作月球建材是可行的。

從阿波羅計劃飛船上帶回的月球土壤非常有限。然而，地聚合物建材施工技術的研究需要大量月壤進行試驗。因此，有必要在地球上尋找一種類似真實月壤的物質作為替代品進行相關研究。目前典型的月壤模擬有JSC-1、MLS-1、MKS-1、FJK-1、CAS-1、TJ-1等。世界各地的研究人員一直在使用月壤模擬物來制備地聚合物。Montes等使用JSC-1A月壤模擬劑制備地聚合物。這種材料證明具有抗輻射的能力。Wang等利用喀麥隆火山灰制備月壤模擬劑，研究了地聚合物的抗凍和抗融能力。Pilehvar等人在月球地聚合物混合物的基礎上使用尿素作為高效減水劑進行3D打印。月壤模擬材料制備地聚合物已成為月球基建領域的研究熱點。

現有的月球材料建設的原位資源利用技術存在如下問題：模擬月壤制備地聚合物制備技術多采用實驗磨將模擬月壤研磨成粉末后進行試驗，選取的原材料僅從化學成分上與真實月壤有相似之處，而忽略了月壤的粒徑級配情況，然而，粒徑粗細對地聚合反應產物的強度有極大影響，考慮到在月球上進行月壤破碎難度較大，有必要按照真實月壤的顆粒級配制備模擬月壤并制備地聚合物，在月球基地建設初期使用開挖到的月壤直接制備地聚合物作為建筑材料，可以減少原材料磨細的步驟，節約成本，降低施工難度；另外，現有的模擬月壤地聚合物實驗過程中，多采用地球室溫養護或單一溫度恒溫養護的方法，忽略了月球實際溫度的變化情況，而溫度對地聚合物的強度影響很大，使實驗結果缺乏參考意義；同時，材料養護多采用普通養護方法，忽略了月球的真空環境，且沒有重復利用水資源，造成了水資源浪費。

發明內容

為了解決上述已有技術存在的不足，本發明考慮月壤實際粒徑級配情況提出一種模擬月壤地聚合物材料的制備方法，本發明的具體技術方案如下：