輻射燒結(jié)硬化模擬月壤的物理和力學(xué)性能試驗研究

摘要：利用月面原位資源制備建筑結(jié)構(gòu)材料是降低月球基地建設(shè)造價的重要手段。在制備模擬月壤的基礎(chǔ)上，對輻射燒結(jié)硬化模擬月壤的物理和力學(xué)性能進行研究。結(jié)果表明：以火山渣為原材料，可以通過烘干、除雜、粉碎、篩分等處理來制備模擬月壤；在微觀形態(tài)、顆粒級配、化學(xué)組成、礦物組成等方面，制備的模擬月壤與真實月壤和既有的模擬月壤都具有較好的相似性；通過輻射燒結(jié)實現(xiàn)模擬月壤硬化，研究燒結(jié)溫度和模擬月壤顆粒級配對硬化月壤表觀密度、燒結(jié)收縮率和質(zhì)量損失率的影響；通過單軸壓縮試驗明確了硬化模擬月壤的力學(xué)性能；燒結(jié)溫度和模擬月壤顆粒級配對燒結(jié)硬化月壤的力學(xué)性能有顯著影響；在單軸壓縮試驗破壞前，試件沒有發(fā)生明顯塑性變形，彈性模量無明顯變化，近似理想線彈性材料。

關(guān)鍵詞：模擬月壤；輻射燒結(jié)；力學(xué)性能；破壞模式

中圖分類號：TU411.2 """"文獻標(biāo)志碼：A """"文章編號：2096-6717（2025）02-0013-07

Experimental study on physical and mechanical properties of simulated lunar regolith hardened by radiation sintering

HUA Jianmin^a，b，"XIAO Chang^a，"XUE Xuanyi^a，"HUANG Lepeng^a

（a. School of Civil Engineering；"b. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： The use of in-situ lunar resources to prepare structural materials is an important method in reducing the construction cost of lunar bases. On the basis of preparing simulated lunar regolith， the physical and mechanical properties of radiation sintering hardened simulated lunar regolith were studied. The results indicate that using volcanic slag as raw material， the preparation of simulated lunar regolith can be achieved through processes such as drying， impurity removal， crushing， and screening. The prepared simulated lunar regolith shows good similarity with the real lunar regolith and existing simulated lunar regolith in terms of microstructure， particle size distribution， chemical composition， mineral composition， etc. Simulated lunar regolith hardening was realized through radiation sintering， and the effects of sintering temperature and particle size distribution on the apparent density， sintering shrinkage， and mass loss rate of hardened lunar regolith were studied. The mechanical properties of hardened simulated lunar regolith were determined through monotonic compression tests， and the sintering temperature and particle size distribution of simulated lunar regolith had a significant impact on mechanical properties. Before the monotonic compression failure， the specimen did not undergo significant plastic deformation. The elastic modulus did not change significantly， demonstrating the perfect linear elasticity.

Keywords： simulated lunar regolith；"radiation sintering；"mechanical properties；"failure mode

隨著科技的進步，人類的探索空間逐漸向深空、深海、深地延伸。深空探索是人類走出地球的必然途徑，美國、俄羅斯等國家都在積極開展深空探索項目。中國在《2021中國的航天》白皮書中提出全面建設(shè)航天強國新征程，構(gòu)建航天國際合作新格局。

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的地外天體。月球蘊含豐富的礦物和能源資源^[1]。建立月球基地，實現(xiàn)人員在月球的長期駐守，完成連續(xù)科研和資源開發(fā)活動是中國探月工程在成功實現(xiàn)“繞”“落”“回”三階段目標(biāo)之后的進一步計劃^[2]。月球基地建造需要大量建筑結(jié)構(gòu)材料，但地月運輸成本高昂，如果建筑結(jié)構(gòu)材料完全依賴地月運輸，將顯著提高月球基地的綜合造價。因此，許多學(xué)者提出利用月面原位資源進行建筑結(jié)構(gòu)材料制備，以降低建造月球基地的成本^[3]，削弱月球基地對地球資源的依賴，進而提高月球基地抵抗風(fēng)險的能力。

月壤是月面上覆蓋的一層顆粒細(xì)小的土壤，是探月初期最容易獲取的原位資源，且儲量巨大。使用月壤進行建筑結(jié)構(gòu)材料的原位制備可行性較高。由于真實月壤的稀缺性，絕大多數(shù)月面建造相關(guān)試驗采用模擬月壤。許多學(xué)者使用模擬月壤開展了月壤原位建材化研究工作。Zhou等^[4]利用堿激發(fā)固化模擬月壤，測試了固化后樣品的抗壓強度和抗折強度。周思齊等^[5]利用3D打印技術(shù)對模擬月壤進行硬化，研究了其硬化后的流變特性和力學(xué)性能。李雯等^[6]驗證了激光選區(qū)熔化技術(shù)固化模擬月壤的可行性，并研究了成型件的壓縮強度。Han等^[7]對模擬月壤進行真空燒結(jié)和大氣燒結(jié)固化處理，研究了燒結(jié)硬化后樣品的表觀狀態(tài)和物理力學(xué)性能。Song等^[8]通過真空燒結(jié)固化模擬月壤，研究了其成型后樣品的成孔機理和熱導(dǎo)率。Meurisse等^[9]研究了斜長石含量、玻璃相含量和鈦鐵礦含量對燒結(jié)硬化后模擬月壤機械性能的影響。

雖然學(xué)者們研究了月壤硬化，但相關(guān)試驗結(jié)果十分有限。筆者通過試驗研究輻射燒結(jié)硬化的模擬月壤，以模擬月壤顆粒級配和燒結(jié)溫度為關(guān)鍵變量開展試驗，對比分析關(guān)鍵變量對硬化月壤受壓力學(xué)性能的影響，進而探索將輻射燒結(jié)用于原位月壤建材化的可行性。

1 既有月壤硬化手段

既有月壤固化成形技術(shù)主要分為3類，見表1。燒結(jié)成形主要有輻射燒結(jié)、微波燒結(jié)和激光熔融3種方式；黏結(jié)成形主要有水化反應(yīng)固化和直接黏結(jié)固化兩類；3D打印主要依靠高性能打印墨水和打印設(shè)備實現(xiàn)。不同的月壤硬化手段表現(xiàn)出不同的優(yōu)缺點，見表1。為了適應(yīng)月面建造的需求，不同的月壤硬化方法應(yīng)該優(yōu)勢結(jié)合，合理并存。燒結(jié)成形不需要額外的黏結(jié)材料和復(fù)雜的打印設(shè)備，適合月面建造初期的月壤建材化。

2 模擬月壤

2.1 制備方法

使用火山渣來制備模擬月壤。采用的原材料與模擬月壤CAS-1^[10]、BH-1^[11]和HUST-1^[7]的原材料同源，均來自吉林省輝南縣火山群。處理之前的火山渣原材料如圖1所示，表面為灰褐色，密布孔洞，密度較低。參考既有研究中模擬月壤的制備方法^[7，10]，試驗?zāi)M月壤CQU-1制備流程如圖2所示。首先，對火山渣原材料進行烘干、除雜、粉碎、篩分等處理，之后通過調(diào)整顆粒級配制成模擬月壤。模擬月壤CQU-1的外觀形態(tài)如圖3所示。通過物理處理制備的模擬月壤CQU-1宏觀表現(xiàn)出粉末狀，與模擬月壤HUST-1類似。對模擬月壤CQU-1微觀形態(tài)進行研究，如圖4所示。經(jīng)過物理處理制備的模擬月壤CQU-1顆粒棱角明顯，符合玄武巖的脆性特征。

將模擬月壤CQU-1的顆粒級配與真實月壤的顆粒級配分布區(qū)間^[12-13]進行對比，如圖5所示。模擬月壤CQU-1的顆粒級配符合真實月壤的顆粒級配分布區(qū)間。此外，按照真實月壤級配配置的模擬月壤CQU-1含有較大顆粒的成分?？紤]到可以在月球上實現(xiàn)篩分處理，為了提高輻射燒結(jié)質(zhì)量，對模擬月壤CQU-1進行篩分處理。模擬月壤CQU-1以及18目篩網(wǎng)過篩的模擬月壤CQU-1的顆粒級配曲線如圖5所示。

2.2 模擬月壤分析結(jié)果

為了證明模擬月壤CQU-1與真實月壤和其他模擬月壤具有相似性，開展了相關(guān)材料試驗。對模擬月壤CQU-1進行X射線熒光光譜分析（XRF）、X射線衍射分析（XRD）和同步熱分析（TG-DSC）。

模擬月壤CQU-1、Apollo 12號登月點真實月壤^[14]、模擬月壤CAS-1^[10]、HUST-1^[7]和BH-1^[11]的化學(xué)成分對比見表2。模擬月壤CQU-1中的主要氧化物是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO和MgO，其成分與模擬月壤CAS-1、HUST-1、BH-1和Apollo 12號登月點真實月壤吻合程度較高。其中，模擬月壤CQU-1的TiO₂含量為2.80%，為低鈦玄武巖類型模擬物。礦物學(xué)分析結(jié)果如圖6所示，模擬月壤CQU-1主要由斜長石、輝石和橄欖石組成，這與Apollo號真實月壤^[14]以及模擬月壤CAS-1^[10]、HUST-1^[7]、BH-1^[11]的礦物成分一致。此外，Hu等^[15]對嫦娥五號月壤樣品礦物成分的研究表明，其主要礦物相為斜長石、輝石、橄欖石和鈦鐵礦。模擬月壤CQU-1亦具備較好的相似性。考慮到模擬月壤CQU-1復(fù)雜的礦物組成，在空氣氣氛下獲得差示掃描量熱曲線（DSC）和熱重曲線（TG）。模擬月壤CQU-1的同步熱分析曲線如圖7所示，由DSC曲線可見，模擬月壤CQU-1的主要吸熱峰值點位于1 192 ℃處，表明其熔點溫度接近1 192 ℃。模擬月壤CQU-1的熔點溫度與模擬月壤HUST-1^[7]（T_m=1 250 ℃）和模擬月壤JSC-1^[16]（T_m=1 120 ℃）的熔點溫度相似。TG曲線表明，模擬月壤能在寬溫域范圍保持低失重率，原因是模擬月壤的主要礦物成分為輝石、斜長石和橄欖石，其在1 200 ℃以下的揮發(fā)性小。模擬月壤發(fā)生的質(zhì)量損失主要源于吸附在顆粒表面或位于顆粒多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部液態(tài)水的蒸發(fā)和模擬月壤中微量組分（如含鎂固溶體）的汽化。出現(xiàn)的重量增加主要是由于金屬礦物的氧化。需要說明的是，上述同步熱分析結(jié)果與其他模擬月壤^[7，17]的結(jié)果具有較好的相似性。

3 燒結(jié)與力學(xué)試驗研究

3.1 燒結(jié)處理方法

基于既有研究^[7]以及同步熱分析結(jié)果，試驗燒結(jié)溫度分別設(shè)定為1 100、1 150、1 200 ℃。月壤中的粗顆?？赡軙档蜔Y(jié)硬化效果，考慮到月面可以實現(xiàn)月壤的原位篩分，因此對模擬月壤CQU-1進行篩分處理，將粒徑位于60～100目、100～140目和140～200目的顆粒分別篩出，與過18目篩的模擬月壤CQU-1一起，共得到4種不同顆粒級配的模擬月壤。

試驗使用輻射燒結(jié)方法對模擬月壤CQU-1進行建材化加工，燒結(jié)試件制備流程如圖8所示。首先，將不同顆粒級配的模擬月壤CQU-1分別裝入直徑50 mm的圓柱形石墨模具中，施加15 kN壓力將模擬月壤壓實成圓柱狀干試樣毛坯。為防止模擬月壤中的礦物成分發(fā)生氧化，將帶模具的毛坯置于箱式氣氛爐中，在常壓密閉的N₂氣氛下進行輻射燒結(jié)。達到目標(biāo)燒結(jié)溫度后保溫90 min，之后，為了防止降溫速率過大導(dǎo)致的試件開裂，將試件隨爐冷卻至室溫。由于熔融物質(zhì)冷卻凝固過程中氣體逐漸向上排出對原樣的擾動以及燒結(jié)過程中頂部缺少約束等原因，完成燒結(jié)的試件頂面不平整，其余與模具接觸的表面較為平整。為了保證單軸壓縮試驗中荷載的均勻施加，對燒結(jié)試件進行脫模，并對頂面進行切割、打磨，最終得到高50 mm，直徑50 mm的單軸受壓試件。為了降低材料不確定性的影響，每組變量完成3個重復(fù)試件。

3.2 單軸壓縮試驗方法

使用CMT5305微機控制電子萬能試驗機完成燒結(jié)硬化模擬月壤的單軸壓縮試驗，加載示意如圖9所示。加載方法符合《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）的要求。加載過程受到位移控制，加載速率為0.1 mm/min。試驗過程中，采集加載荷載和試件軸向壓縮變形，進而通過計算得到燒結(jié)硬化模擬月壤試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)試件發(fā)生明顯開裂或加載荷載越過峰值點顯著降低時停止加載，并記錄試件的破壞模式。

4 試驗結(jié)果和討論

4.1 表觀密度、燒結(jié)收縮和質(zhì)量損失

基于試驗結(jié)果統(tǒng)計分析模擬月壤試件的表觀密度、燒結(jié)收縮和質(zhì)量損失。燒結(jié)試件的表觀密度為質(zhì)量除以體積，通過直接稱重和量取尺寸計算得到，如式（1）所示。

（1）

式中：ρ為燒結(jié)試件的表觀密度，kg/m³；m為燒結(jié)試件的質(zhì)量，kg；V為燒結(jié)試件的體積，m³。

燒結(jié)收縮率是指燒結(jié)硬化后的試件相對于原始粉末狀毛坯試件的體積收縮率，通過測量燒結(jié)試件的尺寸變化并計算相應(yīng)的收縮來確定，如式（2）所示。

（2）

式中：S為燒結(jié)收縮率；V₁為燒結(jié)試件的體積，m³；V₂為原始粉末狀毛坯的體積，m³。

質(zhì)量損失率是指燒結(jié)后的試件相對于原始粉末狀毛坯的質(zhì)量損失率，通過測量燒結(jié)試件燒結(jié)前后的質(zhì)量變化來計算確定，如式（3）所示。

（3）

式中：M為質(zhì)量損失率；m₁為燒結(jié)試件的質(zhì)量，kg；m₂為原始粉末狀毛坯的質(zhì)量，kg。

各組燒結(jié)試件的平均表觀密度、平均燒結(jié)收縮率和平均質(zhì)量損失率如表3所示。輻射燒結(jié)前經(jīng)過預(yù)壓實的圓柱狀干試樣的表觀密度為1 796.68 kg/m³。在1 100～1 200 ℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，各組燒結(jié)試件的表觀密度逐漸提高，表明毛坯樣品燒結(jié)更加充分，形成的試件更為致密。同時可以觀察到，對于1 200 ℃的燒結(jié)溫度，樣品的燒結(jié)收縮率相比前兩個燒結(jié)溫度有極大的提升，表明毛坯樣品中的空氣在該溫度下被大量排出，也獲得了最高的表觀密度。在更高的溫度下，礦物的蒸發(fā)更明顯，表現(xiàn)為隨著燒結(jié)溫度的增加，毛坯樣品的質(zhì)量損失率逐漸增大。

4.2 破壞模式

燒結(jié)試件的破壞模式如圖10所示。試件在低荷載下突然脆裂，頂面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，表明燒結(jié)試件的低脆性。但試件仍能繼續(xù)承受很大的荷載且破壞后仍保持完整性。最終破壞均有多條大致平行于加載方向的主裂縫，且破壞狀態(tài)均為脆性破壞。裂縫開裂方向與燒結(jié)試件中的孔隙分布情況密切相關(guān)，破壞截面往往伴隨大量的孔洞，提高試件密度能有效提高其抗壓強度。燒結(jié)試件破壞面整體呈多孔狀態(tài)，其中1 200 ℃燒結(jié)溫度下的試件孔洞最少，最為致密，且破壞面表現(xiàn)出玻璃光澤，與火山玻璃類似。

4.3 力學(xué)性能

4.3.1 彈性模量

在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，計算分析燒結(jié)試件的關(guān)鍵力學(xué)性能，不同關(guān)鍵變量硬化月壤試件的彈性模量試驗結(jié)果如圖11所示，所有試件的彈性模量基本分布在2.11～2.90 GPa。在破壞前，試件沒有發(fā)生明顯的塑性變形，彈性模量無明顯變化，近似理想線彈性材料。試驗所得燒結(jié)試塊的彈性模量數(shù)值分布與Meurisse等^[9]研究中所得結(jié)果基本一致。燒結(jié)模擬月壤的彈性模量大概為普通混凝土材料的1/10。燒結(jié)溫度和材料顆粒級配都對燒結(jié)模擬月壤的彈性模量有影響。60～100目和100～140目的燒結(jié)試件在1 200 ℃的燒結(jié)溫度下獲得較大的彈性模量。對于140～200目和模擬月壤CQU-1試件組而言，在1 150 ℃燒結(jié)溫度下的彈性模量大于1 100、1 200 ℃燒結(jié)溫度下的彈性模量。

4.3.2 抗壓強度

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019），基于試驗獲得的荷載結(jié)果和試件的橫截面積計算其抗壓強度，不同燒結(jié)硬化月壤試件的抗壓強度如圖12所示。所有試件的抗壓強度分布在18.29～52.08 MPa。其中，試件CQU-1在1 150 ℃的平均抗壓強度為39.14 MPa，與Han等^[7]在1 050 ℃真空燒結(jié)條件下得到的抗壓強度為37.48～42.34 MPa的燒結(jié)試件相似，因此，真空環(huán)境以及在燒結(jié)過程中向圓柱狀干試樣施加壓力能有效降低燒結(jié)試塊達到相同強度的燒結(jié)溫度。可以觀察到，在1 100～1 200 ℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，各組燒結(jié)試件的平均峰值應(yīng)力總體呈增大趨勢，表明燒結(jié)溫度的升高能夠較大地提升燒結(jié)試件的抗壓強度。在相同燒結(jié)溫度條件下，隨著模擬月壤粒徑的減小，燒結(jié)試件的抗壓強度逐漸提高。隨著燒結(jié)溫度逐漸趨于模擬月壤的熔點溫度1 192 ℃，模擬月壤中更多物質(zhì)進入熔融態(tài)，此時級配的影響減小，表現(xiàn)為在1 200 ℃時各顆粒級配組之間強度相差不大。

4.3.3 極限應(yīng)變

采用對應(yīng)于抗壓強度的極限應(yīng)變來量化燒結(jié)硬化月壤的塑性性能。在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，得到不同試件的極限應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。所有試件的極限應(yīng)變基本分布在0.010～0.028。可以看出，燒結(jié)溫度和原材料顆粒級配都對極限應(yīng)變有影響。在1 100～1 200 ℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，各組燒結(jié)試件的平均極限應(yīng)變總體呈增大趨勢，表明燒結(jié)溫度的升高能提升燒結(jié)試件的塑性性能。這是因為隨著燒結(jié)溫度的提高，試件的密實度相應(yīng)提升。

5 結(jié)論

1）以火山渣為原材料，通過烘干、除雜、粉碎、篩分等處理制備模擬月壤。通過電鏡掃描、XRF、XRD以及TG-DSC分析，證明了制備的模擬月壤CQU-1與真實月壤和其他模擬月壤在微觀形態(tài)、化學(xué)組成、礦物組成等方面的相似性。

2）通過輻射燒結(jié)實現(xiàn)了模擬月壤硬化，研究了燒結(jié)溫度對硬化月壤表觀密度、燒結(jié)收縮率和質(zhì)量損失率的影響。隨著燒結(jié)溫度的增加，燒結(jié)試件的表觀密度、燒結(jié)收縮率和質(zhì)量損失率均逐漸增大。

3）通過單軸壓縮試驗明確了硬化模擬月壤的力學(xué)性能，燒結(jié)溫度和模擬月壤顆粒級配對燒結(jié)硬化月壤的力學(xué)性能有顯著影響。模擬月壤顆粒粒徑的減小和燒結(jié)溫度的增加均能有效提高燒結(jié)試件的抗壓強度。

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（編輯""胡英奎）