CLDS?i模擬月塵的基本性質(zhì)及應用前景

唐 紅，張森森，2，李雄耀?，王世杰，劉建忠，李世杰，李 陽，吳焱學，4

（1.中國科學院地球化學研究所月球與行星科學研究中心，貴陽550081；2.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙410000；3.中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴陽550081；4.中國科學院大學，北京100049）

CLDS?i模擬月塵的基本性質(zhì)及應用前景

唐 紅1，張森森1，2，李雄耀1?，王世杰3，劉建忠1，李世杰1，李 陽1，吳焱學1，4

（1.中國科學院地球化學研究所月球與行星科學研究中心，貴陽550081；2.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙410000；3.中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴陽550081；4.中國科學院大學，北京100049）

月塵對航天器、航天服性能和航天員的健康存在的危害迫切需要解決，在月塵樣品稀缺的條件下，具有很高相似性的CLDS?i模擬月塵是開展塵埃防護技術攻關和毒性機理研究的重要基礎。CLDS?i模擬月塵含75%玻璃組分和少量納米金屬鐵顆粒，中值粒徑為500～600 nm，具有復雜粒形和鋒利棱角，其基本性質(zhì)與實際月塵相似，可應用于月塵科學研究、月塵治理技術、月塵毒理學研究等諸多領域。

CLDS?i模擬月塵；納米金屬鐵；性質(zhì)

1 前言

月塵對航天器和航天員的危害已成為月球探測尤其是載人月球探測迫切需要解決的重要問題，Apollo載人月球探測已很好地證實了月球表面彌漫的塵埃顆粒會造成視覺阻礙、儀表讀數(shù)錯誤、月塵的附著和污染、表面打滑、機械阻塞、表面磨損、熱控問題、密封失效、月塵吸入和生理刺激等等，對航天器的性能安全和航天員的生命健康造成危害［1?3］。我國的玉兔月球車在經(jīng)歷一個晝夜的巡視探測后出現(xiàn)了機械故障，也有可能是由于月塵的粘附阻塞造成。隨著月球探測的不斷深入，載人月球探測也將提上日程，這就更加迫切地要求更好地認識月塵的特性，解決月塵的危害問題。

月塵有別于月壤，通常指月壤中顆粒極小的部分，粒徑小于20μm，具有更特殊的性質(zhì)，廣泛分布于月球表面最表層2 cm范圍，約占整個月壤的20wt%，主要形成于月球表面后期的太空風化作用過程［4?5］。Apollo和Luna月球樣品的分析表明，月塵的化學成分與月壤比較相近，其中SiO2變化不大，但月塵中的Al2O3、CaO和Na2O更高，而FeO、MgO和TiO2相對更低［6?7］。月塵的物相組成主要為膠結(jié)質(zhì)玻璃，一般為50%以上，并含有斜長石、輝石、鈦鐵礦、橄欖石和納米金屬鐵等礦物［8?9］。納米金屬鐵作為月球表面的獨特組成，廣泛分布于月塵顆粒中，其中存在于月塵顆粒表面非晶質(zhì)環(huán)帶中的納米金屬鐵呈球狀，粒徑一般為幾個納米到十幾個納米，主要是由微隕石轟擊蒸發(fā)沉積作用形成的［10?11］。月塵顆粒非常細小，約95%的顆粒粒徑小于2.5μm，大部分顆粒粒徑位于100～300 nm之間，并且顆粒形態(tài)復雜，具有鋒利的棱角［12?14］。

隨著月球探測的不斷發(fā)展和月球科學研究的不斷深入，許多工程試驗和科學研究的關鍵問題解決都需要大量的月塵樣品，但是真實的月塵樣品非常稀少珍貴，無法滿足工程試驗和科學研究的大量需求，利用具有相似性質(zhì)的模擬月塵樣品替代真實月塵樣品開展研究是一個現(xiàn)實可行的重要途徑。

2 CLDS?i模擬月塵的研制

目前世界上已報道的模擬月塵樣品主要有以下三種：1）JSC?1Avf是美國國家宇航局下屬的約翰遜空間中心利用模擬月壤JSC?1A進行研磨并篩選出粒徑小于20μm部分研制而成，平均粒徑約700 nm，不含納米金屬鐵［7］；2）北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所和北京航空航天大學的模擬月塵是參考月壤的標準研制的，其礦物組成與化學組成等均與CLRS?1模擬月壤相似，其平均粒徑70μm，遠大于月塵的平均粒徑，同樣不含納米金屬鐵［15］；3）中國科學院地球化學研究所前期研制的CLDS?1模擬月塵在礦物組成、化學成分和粒度分布上與真實月塵相似，但是在粒形和納米金屬鐵特征方面仍具有較大的差異［16］。為了使模擬月塵樣品與真實月塵具有更高相似性，滿足月球探測的工程試驗和科學研究的需求，中國科學院地球化學研究所依據(jù)實際月球樣品中小于20μm的顆粒性質(zhì)，以月塵的物相組成、化學成分、粒度粒形和納米金屬鐵作為模擬月塵研制的四個標準，結(jié)合工程需要，在CLRS?1／2系列模擬月壤國家標準樣品基礎上，經(jīng)過玻璃組分富集、球磨、超聲破碎、冷凍干燥和濺射包裹等處理得到了CLDS?i模擬月塵。首先將CLRS?1模擬月壤進行初步球磨破碎，在高強度磁場下對破碎后的CLRS?1模擬月壤進行磁法篩選，將其分選為強磁性樣品和弱磁性樣品兩個部分。弱磁性樣品以玻璃質(zhì)為主，礦物與化學組成與月塵接近。隨后對弱磁性樣品進行行星式球磨破碎和超聲波破碎，獲得粒徑粒形特征與月塵相似的樣品。再經(jīng)快速冷卻凝凍，在冷凍條件下進行干燥得到未含納米顆粒金屬鐵的模擬月塵樣品。最后利用脈沖激光器在低壓無氧環(huán)境下依次對金屬鐵靶材和玄武巖靶材進行轟擊濺射，實現(xiàn)模擬月塵顆粒表面覆蓋有一層包裹納米金屬鐵的非晶質(zhì)硅酸鹽膜，從而獲得物相組成、化學成分、粒度粒形和納米金屬鐵性質(zhì)均與月塵十分接近的CLDS?i模擬月塵（圖1）。

3 CLDS?i模擬月塵的基本性質(zhì)

3.1 物相組成

利用光學顯微鏡、X射線粉晶衍射儀（XRD）和透射電鏡（TEM）對CLDS?i模擬月塵進行了詳細的物相組成分析。圖2（a）和（b）為CLRS?1模擬月壤在光學和正交偏光鏡下的圖片，可以看出其顆粒較粗，而且大部分為結(jié)晶質(zhì)物質(zhì)；圖2（c）和（d）則為CLDS?i模擬月塵在光學和正交偏光鏡下的圖片，其顆粒明顯更細，而且絕大部分為玻璃質(zhì)物質(zhì)。XRD的分析結(jié)果表明CLDS?i模擬月塵以膠結(jié)質(zhì)玻璃和斜長石為主，并含有少量橄欖石、輝石和鈦鐵礦。通過透射電鏡能譜和電子衍射對CLDS?i模擬月塵中500個顆粒進行了分析，統(tǒng)計結(jié)果表明其中玻璃質(zhì)可達75%，其次為斜長石，約為15%。與月塵的物相組成相比，CLDS?i模擬月塵的物相組成和含量與月塵樣品的特征相近。

3.2 化學成分

利用X射線熒光光譜對CLDS?i模擬月塵的化學成分進行了分析，結(jié)果表明CLDS?i模擬月塵的化學成分與Apollo 15月海低Ti月塵的化學成分接近，其中SiO2約為50%，Al2O3的含量約為14%，TFeO和MgO含量在10%左右，TiO2含量約為1%，但CaO含量相對偏低，這是由于地球上的斜長石主要為鈉長石，而月球上的斜長石以鈣長石為主（表1）。

3.3 粒度粒形特征

CLDS?i模擬月塵的粒度分布如圖3所示，絕大部分顆粒小于1μm，其中值粒徑集中在500～600 nm之間，略高于月塵的中值粒徑，但優(yōu)于JSC?1Avf的中值粒徑600～700 nm。

利用掃描電鏡對CLDS?i模擬月塵顆粒形態(tài)的分析結(jié)果表明，CLDS?i模擬月塵的顆粒形態(tài)與月塵顆粒相似，形態(tài)復雜多樣，大部分都具有鋒利的棱角（圖4）。對CLDS?i模擬月塵顆粒的復雜度因子（投影周長／內(nèi)接橢圓周長）進行計算統(tǒng)計可知，顆粒的平均長軸長度為0.444μm，平均短軸長度為0.327μm，平均周長為1.800μm，平均截面面積0.085μm2，平均圓度0.408，圓度小于0.5的顆粒占72.4%，其復雜度因子為1.38（圖5），表明CLDS?i模擬月塵顆粒具有明顯的棱角和鋸齒狀特征，其形態(tài)更為復雜，與月塵樣品相似［14］。

表1 Apollo 15、CLRS?1和CLDS?i化學組分特征Table 1 The bulk chem istry of Apollo 15，CLRS?1 and CLDS?i

3.4 納米金屬鐵特征

利用高分辨率透射顯微鏡對CLDS?i模擬月塵顆粒進行分析表明，在大部分顆粒表層覆蓋一層非晶質(zhì)的硅酸鹽膜，納米金屬鐵被包裹在該非晶質(zhì)層中，粒徑約為3～10 nm，呈球狀分布（圖6a）。納米金屬鐵顆粒（101）面的晶面間距測量值為0.204 nm（圖6b），與Fe（bcc）的晶面間距一致（0.203 nm）［18］，證實該納米金屬鐵為體心立方結(jié)構(gòu)的α相金屬鐵。

4 應用與展望

CLDS?i模擬月塵在物相組成、化學成分、粒度粒形和納米金屬鐵特征方面與月塵十分相似，在工程試驗和科學實驗中都具有很好的應用前景，可以應用于航天器、航天服的工程測試，也可開展航天員生理健康問題的機理試驗，對推動我國載人月球探測進展具有積極意義。

CLDS?i模擬月塵可應用于航天器和航天服的塵埃防護技術攻關。月塵對航天器和航天服的危害主要是由粘附磨蝕引起，與月塵的粒度粒形、礦物與化學成分、電磁特性等密切相關。月塵顆粒的粘附力主要以靜電力和磁力吸附為主，與其顆粒大小形態(tài)和電磁性質(zhì)存在密切關系；而月塵顆粒對航天器和航天服的磨蝕主要與其硬度和具有鋒利邊緣的顆粒形態(tài)相關［1］。CLDS?i模擬月塵主要由不導電的硅酸鹽物質(zhì)組成，在模擬月表真空干燥強輻射的環(huán)境和各種接觸、摩擦等作用下，其顆粒不斷積累電荷，與航天器表面產(chǎn)生了靜電吸附。帶電顆粒與非導體表面接觸時，靜電力與顆粒介電性質(zhì)、表面勢能、靜電場強度以及粒徑都存在密切聯(lián)系［19］。由于CLDS?i模擬月塵顆粒細微，且其形態(tài)較為復雜，帶電后顆粒的表面勢能一般較大，可能表現(xiàn)出較強的靜電吸附。而CLDS?i模擬月塵中有納米金屬鐵的存在，使其具有顯著的超順磁性特征，在很弱的外加磁場作用下也能表現(xiàn)出很強的磁性，對于產(chǎn)生電磁場的電子元器件，磁力吸附是顆粒粘附性的另一個重要作用力。因此，開展CLDS?i模擬月塵對航天器和航天服的塵埃防護技術攻關的試驗，研究CLDS?i模擬月塵的粒度和粒形、礦物組成與化學成分、電磁特性對航天器和航天服的危害，有助于深入認識月塵的危害機理。

CLDS?i模擬月塵可應用于航天員生理健康的塵埃危害機理研究。月塵的粒度粒形、成分、微觀結(jié)構(gòu)是影響月塵毒理學的重要影響因素，也是探討航天員生理健康的塵埃危害機理的重要基礎［2］。CLDS?i模擬月塵的顆粒細小，很容易被人體吸入。而顆粒物的直徑越小，進入呼吸道的部位越深，因此大部分顆?？呻S人的呼吸沉積于肺部，這些顆粒不但傷害上部通道如鼻咽喉的傷害，而且傷害氣管、細支氣管、肺部等器官，有可能使人體出現(xiàn)水腫、炎癥和纖維癥等癥狀［20］。CLDS?i模擬月塵中含有大量SiO2和TiO2組分，可能是誘發(fā)塵肺病、矽肺病等一系列嚴重疾病的重要因素［21］。此外CLDS?i模擬月塵存在納米金屬鐵，進入血液中可能會還原血紅蛋白里的三價鐵，使血紅蛋白運輸氧氣的能力降低，嚴重狀況下會影響人體呼吸系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)［12］。另一方面，CLDS?i模擬月塵顆粒具有相對較大的比表面積和鋒利的棱角，很有可能造成這些顆粒在肺部的沉淀，并損害肺泡巨噬細胞等細胞組織，也增加了其遷移到血液循環(huán)中的幾率。因此，開展CLDS?i模擬月塵的毒理學實驗，研究其物相組成、化學成分、粒度粒形、納米金屬鐵等性質(zhì)對航天員生理健康的塵埃危害機理研究，有助于深入認識月塵的毒理學機理和影響。

總的來說，CLDS?i模擬月塵與真實月塵具有很高相似性，其相似的物相組成、化學成分、粒度粒形、納米金屬鐵特征使其可以很好地應用于工程技術試驗和科學機理實驗研究，具有很好的應用價值。

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Basic Properties and Potential App lication of CLDS?i Lunar Dust Simulant

TANG Hong1，ZHANG Sensen1，2，LIXiongyao1?，WANG Shijie3，LIU Jianzhong1，LIShijie1，LIYang1，WU Yanxue1，4
（1.Center for Lunar and Planetary Science，Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550081，China；2.School of Geosciences and Info?Physics，Central South University，Changsha 410000，China；3.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry，Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550081，China；4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Lunar dust can make serious damages to the space probe，the space suit，and the health of astronaut，which is one of the key challenges faced in themanned lunar exploration.Due to the rareness of the lunar dust samples，CLDS?i lunar dust simulantwith high similarity to the real lunar dust is an important basis for the study of the lunar dust protection and dust toxicity.The CLDS?i lu?nar dust simulant developed by the Institute of Geochemistry of CAS contains 75%glass and a little nanophase Fe0，and has amedian particle size about500～600 nm.The CLDS?i lunar simulant par?ticles also have complicated shapes and sharp edges similar to those of the lunar dustwhichmake the CLDS?i applicable tomany fields such as the scientific research，the treatment technology and toxi?cological study of the lunar dust.

CLDS?i lunar dust simulant；nanophase Fe0；properties

V254.1

A

1674?5825（2017）01?0118?05

2015?09?28；

2016?12?12

國家自然科學基金（41403057，41572037）；載人航天預先研究項目（060402）；澳門科學技術發(fā)展基金（020／2014／A1）

唐紅，女，博士，副研究員，研究方向為月球與行星科學。E?mail：dongtianzhixing＠163.com

?通訊作者：李雄耀，男，博士，研究員，研究方向為月球與行星科學。E?mail：lixiongyao＠vip.skleg.cn