模拟月壤制备连续纤维的可行性研究
发布时间：2022-01-01 00:01
月球基地建设是人类开展深空探测的初步任务,原位利用月球资源对于实现月球基地建设具有重要意义.本文以月球基地建设中对高性能材料的需求为出发点,研究了模拟月壤的组成、晶相结构、熔融特征和成纤行为.研究结果表明,月壤与地球玄武岩矿石具有相近的化学成分和矿物相组成,模拟月壤在1332℃完全熔融并在淬冷后转化为非晶态玻璃体.采用熔融-牵引法获得了单丝拉伸强度超过1400 MPa的月壤基连续纤维,该强度接近目前商业化的玄武岩纤维.研究结果证实原位利用月壤制备连续纤维具有一定的可行性,基于月壤纤维增强的复合材料有望为未来月球基地建设提供原材料保障.
【文章来源】：中国科学:技术科学. 2020,50(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
(网络版彩图)模拟月壤和不同地区玄武岩矿石的XRD谱图
采用同步热分析研究模拟月壤在加热熔化过程中发生的物理化学反应,结果如图3所示.从热重(TG)曲线上看,样品在室温至570°C范围有0.55%的失重,主要为样品吸附水分挥发以及盐类水合物矿物分解而导致的失重;在570°C～1061°C范围有0.30%的增重,主要为样品中磁铁矿相等在空气氛围被氧化增重;在1061°C～1400°C范围有0.58%的失重,主要为样品中盐类矿物分解失重.与TG曲线相对应,样品的差式扫描量热(DSC)曲线出现了3个吸热峰和2个放热峰.第1个吸热峰(峰值约为97°C)是由样品本身吸附的水分挥发引起的;第2个吸热峰(峰值约为780°C)主要为样品熔融吸热,表明在该温度附近样品开始熔化,液相开始出现;第3个吸热峰(峰值约为1332°C)主要为样品熔融吸热以及样品中盐类矿物分解吸热,且当温度超过1332°C,再无吸热放热峰出现,表明样品已完全熔化.另外,DSC曲线上出现的第1个放热峰(峰值约为837°C)主要为样品中磁铁矿相等氧化放热;第2个放热峰(峰值约为1031°C)主要为样品析晶放热,在该温度下,熔化的样品由于化学键的断裂和重组而形成新的化合物,这些化合物分子聚集后形成晶核,当达到一定大小后出现独立晶相,即析出晶体[33],因此该温度为月壤样品的最高析晶温度.通过DSC曲线可以确定模拟月壤样品的初始熔融温度为780°C、最高析晶温度为1031°C、完全熔化温度为1332°C.这些热力学参数与玄武岩矿石熔化制备纤维过程的参数相似.因此通过这些参数的调整有望利用模拟月壤来制备连续纤维,即样品熔化温度要高于1332°C、纤维成型温度(即拉丝漏板温度)应比析晶温度高80°C左右[34],否则纤维拉丝过程中将会有晶体析出并导致纤维断丝.3.4 月壤基连续纤维形貌分析
通过对模拟月壤组成、结构及热学性能进行分析,预测该模拟月壤可用于制备连续纤维,依据3.3节中确定的热力学参数,我们设定炉腔温度1400°C、漏板温度1110°C进行拉丝,获得3种不同直径的月壤基连续纤维.图4为模拟月壤和拉丝速度分别为4,8,10 m/s所制备的月壤基连续纤维在不同放大倍数下的SEM照片.从图中可见模拟月壤样品(图4(a)和(b))呈现形状不规则的颗粒状,具有典型的研磨形成的颗粒特征,并伴随有边缘锋利的碎片和大小不一的孔洞,孔洞中填充有尺寸较小的颗粒.孔洞的存在主要是由于模拟月壤初始物质取自火山渣,呈现蜂巢或泡沫状结构[24],样品经过破碎、研磨等过程后仍然保持火山渣的特征.不同拉丝速度下制备的月壤基连续纤维(图4(c)～(h))外表均呈现光滑的圆柱状结构,这是因为纤维在成纤过程中矿石熔融体在表面张力的作用下收缩成体积最小的圆形并在快速冷却凝固时保持此形状.对不同拉丝速度下纤维的直径进行统计分析(结果见表2),发现纤维直径随拉丝速度的增加逐渐减小,这是由于在纤维成型过程中熔融体经历了一个同时伴随有凝固和外力牵引而变长、变细的过程[35],在这一过程中拉丝速度越快,单位时间内拉出的纤维越长,纤维的直径就会越小.3.5 月壤基连续纤维相结构分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于嫦娥四号月球车图像的地形遮挡高精度预报试验研究[J]. 马友青,彭松,温博,贾阳,申振荣,亓晨,张烁,杨欢,司马兵,王楷文,刘少创. 中国科学:技术科学. 2020(01)
[2]高强混凝土的制备及其力学性能分析[J]. 赵书勤. 技术与市场. 2019(12)
[3]模拟月壤成型研究现状[J]. 宋蕾,徐佼,唐红,范树迁,刘建忠,李雄耀,刘基权. 矿物学报. 2020(01)
[4]月面建造工程的挑战与研究进展[J]. 丁烈云,徐捷,骆汉宾,蔡礼雄. 载人航天. 2019(03)
[5]中国月球探测任务轨道确定技术及发展综述[J]. 段建锋,张宇,曹建峰,陈略,陈明,谢剑锋. 深空探测学报. 2019(03)
[6]月球基地建设方案设想[J]. 袁勇,赵晨,胡震宇. 深空探测学报. 2018(04)
[7]GeS2-In2S3硫系玻璃的物化性质与晶化行为研究[J]. 林常规,翟素敏,李卓斌,屈国顺,顾少轩,陶海征,戴世勋. 物理学报. 2015(05)
[8]熔渣纤维化机理研究进展[J]. 张玉柱,张遵乾,邢宏伟,李杰. 钢铁. 2015(01)
[9]中国月球探测器发展历程和经验初探[J]. 叶培建,黄江川,孙泽洲,杨孟飞,孟林智. 中国科学:技术科学. 2014(06)
[10]玄武岩特征及熔融析晶性能研究[J]. 童庆,樊霆,王浩明,孙礼明,黄界颖. 中国非金属矿工业导刊. 2013(06)
本文编号：3561239
【文章来源】：中国科学:技术科学. 2020,50(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
(网络版彩图)模拟月壤和不同地区玄武岩矿石的XRD谱图
采用同步热分析研究模拟月壤在加热熔化过程中发生的物理化学反应,结果如图3所示.从热重(TG)曲线上看,样品在室温至570°C范围有0.55%的失重,主要为样品吸附水分挥发以及盐类水合物矿物分解而导致的失重;在570°C～1061°C范围有0.30%的增重,主要为样品中磁铁矿相等在空气氛围被氧化增重;在1061°C～1400°C范围有0.58%的失重,主要为样品中盐类矿物分解失重.与TG曲线相对应,样品的差式扫描量热(DSC)曲线出现了3个吸热峰和2个放热峰.第1个吸热峰(峰值约为97°C)是由样品本身吸附的水分挥发引起的;第2个吸热峰(峰值约为780°C)主要为样品熔融吸热,表明在该温度附近样品开始熔化,液相开始出现;第3个吸热峰(峰值约为1332°C)主要为样品熔融吸热以及样品中盐类矿物分解吸热,且当温度超过1332°C,再无吸热放热峰出现,表明样品已完全熔化.另外,DSC曲线上出现的第1个放热峰(峰值约为837°C)主要为样品中磁铁矿相等氧化放热;第2个放热峰(峰值约为1031°C)主要为样品析晶放热,在该温度下,熔化的样品由于化学键的断裂和重组而形成新的化合物,这些化合物分子聚集后形成晶核,当达到一定大小后出现独立晶相,即析出晶体[33],因此该温度为月壤样品的最高析晶温度.通过DSC曲线可以确定模拟月壤样品的初始熔融温度为780°C、最高析晶温度为1031°C、完全熔化温度为1332°C.这些热力学参数与玄武岩矿石熔化制备纤维过程的参数相似.因此通过这些参数的调整有望利用模拟月壤来制备连续纤维,即样品熔化温度要高于1332°C、纤维成型温度(即拉丝漏板温度)应比析晶温度高80°C左右[34],否则纤维拉丝过程中将会有晶体析出并导致纤维断丝.3.4 月壤基连续纤维形貌分析
通过对模拟月壤组成、结构及热学性能进行分析,预测该模拟月壤可用于制备连续纤维,依据3.3节中确定的热力学参数,我们设定炉腔温度1400°C、漏板温度1110°C进行拉丝,获得3种不同直径的月壤基连续纤维.图4为模拟月壤和拉丝速度分别为4,8,10 m/s所制备的月壤基连续纤维在不同放大倍数下的SEM照片.从图中可见模拟月壤样品(图4(a)和(b))呈现形状不规则的颗粒状,具有典型的研磨形成的颗粒特征,并伴随有边缘锋利的碎片和大小不一的孔洞,孔洞中填充有尺寸较小的颗粒.孔洞的存在主要是由于模拟月壤初始物质取自火山渣,呈现蜂巢或泡沫状结构[24],样品经过破碎、研磨等过程后仍然保持火山渣的特征.不同拉丝速度下制备的月壤基连续纤维(图4(c)～(h))外表均呈现光滑的圆柱状结构,这是因为纤维在成纤过程中矿石熔融体在表面张力的作用下收缩成体积最小的圆形并在快速冷却凝固时保持此形状.对不同拉丝速度下纤维的直径进行统计分析(结果见表2),发现纤维直径随拉丝速度的增加逐渐减小,这是由于在纤维成型过程中熔融体经历了一个同时伴随有凝固和外力牵引而变长、变细的过程[35],在这一过程中拉丝速度越快,单位时间内拉出的纤维越长,纤维的直径就会越小.3.5 月壤基连续纤维相结构分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于嫦娥四号月球车图像的地形遮挡高精度预报试验研究[J]. 马友青,彭松,温博,贾阳,申振荣,亓晨,张烁,杨欢,司马兵,王楷文,刘少创. 中国科学:技术科学. 2020(01)
[2]高强混凝土的制备及其力学性能分析[J]. 赵书勤. 技术与市场. 2019(12)
[3]模拟月壤成型研究现状[J]. 宋蕾,徐佼,唐红,范树迁,刘建忠,李雄耀,刘基权. 矿物学报. 2020(01)
[4]月面建造工程的挑战与研究进展[J]. 丁烈云,徐捷,骆汉宾,蔡礼雄. 载人航天. 2019(03)
[5]中国月球探测任务轨道确定技术及发展综述[J]. 段建锋,张宇,曹建峰,陈略,陈明,谢剑锋. 深空探测学报. 2019(03)
[6]月球基地建设方案设想[J]. 袁勇,赵晨,胡震宇. 深空探测学报. 2018(04)
[7]GeS2-In2S3硫系玻璃的物化性质与晶化行为研究[J]. 林常规,翟素敏,李卓斌,屈国顺,顾少轩,陶海征,戴世勋. 物理学报. 2015(05)
[8]熔渣纤维化机理研究进展[J]. 张玉柱,张遵乾,邢宏伟,李杰. 钢铁. 2015(01)
[9]中国月球探测器发展历程和经验初探[J]. 叶培建,黄江川,孙泽洲,杨孟飞,孟林智. 中国科学:技术科学. 2014(06)
[10]玄武岩特征及熔融析晶性能研究[J]. 童庆,樊霆,王浩明,孙礼明,黄界颖. 中国非金属矿工业导刊. 2013(06)
本文编号：3561239
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