陳中武 劉 菘 劉 麗 賴小明 曹柏青 黎 俊

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司，四川 成都 610100；3.北京衛(wèi)星制造廠529 廠，北京 100086）

0 引言

作為人類探索月球未知空間、開發(fā)月球資源的重要途徑，建設(shè)月球基地對(duì)人類深空探測(cè)及擴(kuò)展地球之外的人類文明具有重要意義[1]。建設(shè)月球基地最核心的問題是獲取基礎(chǔ)材料，考慮運(yùn)輸成本，長(zhǎng)期供給的穩(wěn)定性、靈活性以及后期維護(hù)的可行性，選擇月壤作為高性能增強(qiáng)體纖維的原材料都是最佳方案。研究表明，月表存在儲(chǔ)量豐富且極易獲得的玄武巖材料，這為開發(fā)月壤基玄武巖纖維提供了重要保障[2]。

玄武巖纖維是繼碳纖維、芳綸以及超高分子量聚乙烯纖維之后的第四大高技術(shù)纖維，被稱為21 世紀(jì)的綠色工業(yè)原料[3]。但是在月球表面開發(fā)玄武巖纖維的難度極大，最關(guān)鍵的影響因素是月球玄武巖成分分布不均和玄武巖熔體性能不穩(wěn)定，在全自動(dòng)化模式下難以進(jìn)行連續(xù)紡絲及其相應(yīng)的工藝調(diào)整。

針對(duì)玄武巖組成對(duì)其熔體性能影響這一關(guān)鍵科學(xué)問題，該文研究了模擬月球玄武巖組成對(duì)粘度、熔制溫度和析晶溫度等特性的影響規(guī)律，獲得月球玄武巖的粘度—溫度關(guān)系、析晶溫度區(qū)間以及熔制工藝等重要參數(shù)，可以為制備月球玄武巖纖維提供重要的參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

SiO2、Al2O3、Na2O 以及K2O（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；CaO、MgO、Fe2O3以及TiO2（上海麥克林生化科技有限公司）。

1.2 制備樣品

理論上，月球玄武巖熔體中的化學(xué)組成對(duì)黏度、熔制溫度、析晶溫度和熱膨脹系數(shù)的影響機(jī)制與地表類似。SiO2、Al2O3可以提高粘度和熔制溫度，還可以降低析晶溫度和熱膨脹系數(shù)；堿金屬（Na2O、K2O）和堿土金屬（CaO、MgO）可以降低黏度和熔制溫度，但是會(huì)提高析晶上限溫度，影響纖維成型質(zhì)量。與美國Apollo14 號(hào)樣品[4-5]相比，嫦娥五號(hào)月壤的氧化鐵含量最高，見表1。該文采用共混冶煉的方式制備了4 種模擬月壤（模擬月壤一~模擬月壤四），重點(diǎn)研究組分變化對(duì)模擬月球玄武巖熔體特性的影響規(guī)律。

表1 模擬月壤、嫦娥五號(hào)月壤以及Apollo-14 樣品成分

1.3 測(cè)試方法

該試驗(yàn)采用的測(cè)試方法如下：1） X 射線衍射光譜（XRD）測(cè)試。采用日本Shmadzu 公司生產(chǎn)的XRD-6100 型X 射線衍射儀。測(cè)試中掃描的速率為0.7°/s，掃描角度范圍為10°~70°。2） 偏光顯微鏡。觀察玄武巖熔體析晶圖。3） 膨脹系數(shù)測(cè)試。采用德國Netzsch 公司生產(chǎn)的DIL 402C 型熱膨脹儀測(cè)定熱膨脹性能。4） 流變性能測(cè)試。采用德國HAAKE 公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)流變儀（MARS）。

2 結(jié)果與討論

通過XRD 對(duì)模擬月壤晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1 所示。通過檢索PDF 卡片可知，模擬月壤一的主晶相為方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片號(hào)39-1425），次晶相為珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片號(hào)18-0276）。模擬月壤二的主晶相為珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片號(hào)18-0276），次晶相為硫鋁酸鈣（Yeelimite， syn Ca4Al6O12SO4，卡片號(hào)33-0256）。模擬月壤三的主晶相為珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片號(hào)18-0276），次晶相為方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片號(hào)39-1425）。模擬月壤四的主晶相為方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片號(hào)39-1425），次晶相為珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片號(hào)18-0276）。結(jié)果表明，成分的變化會(huì)導(dǎo)致模擬月壤結(jié)晶能力、晶體結(jié)構(gòu)以及晶體組成發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而影響玄武巖石的熔融行為[6-7]。因此，在月表進(jìn)行玄武巖纖維紡制前須確定月壤具體成分。

圖1 模擬月壤晶體結(jié)構(gòu)

在玄武巖纖維成型的過程中，玄武巖熔體處于介穩(wěn)態(tài)，冷卻的熔體降至一定溫度后會(huì)產(chǎn)生析晶現(xiàn)象（如圖2 所示），析晶會(huì)影響玄武巖纖維的質(zhì)量和均勻性，進(jìn)而降低其力學(xué)性能，甚至使纖維斷裂[8-9]。因此，為了得到高品質(zhì)的玄武巖纖維，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)析晶現(xiàn)象。析晶上限溫度（即冷卻過程中最早能夠出現(xiàn)析晶的溫度）代表樣品的析晶能力，決定了成型過程中的下限溫度和溫度窗口[10]。析晶上限溫度和下限溫度之間的溫度區(qū)間反應(yīng)了樣品的析晶趨勢(shì)，溫度區(qū)間越小，越能有效抑制析晶，越有利于成型。

圖2 玄武巖熔體析晶圖

用溫度梯度爐對(duì)4 個(gè)樣品的析晶上限和下限溫度進(jìn)行測(cè)量和確定，結(jié)果見表2。

表2 梯溫爐測(cè)試試樣相關(guān)上、下限析晶溫度

對(duì)比測(cè)試結(jié)果可知，析晶上限溫度高低的順序?yàn)槟M月壤四＞模擬月壤一＞模擬月壤三＞模擬月壤二。因此，模擬月壤二的析晶能力最弱，可以在更低的溫度下拉絲成型。析晶溫度區(qū)間大小的順序?yàn)槟M模擬月壤四＞模擬月壤一＞模擬月壤三＞模擬月壤二。析晶溫度區(qū)間越小，越有利纖維拉絲成型，因此同樣是模擬月壤二最有利纖維拉絲成型。綜上所述，模擬月壤二的析晶傾向和析晶區(qū)間均最小，礦石拉絲性能最好。

熱膨脹系數(shù)直接反映了材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，對(duì)其熱處理過程具有重要的指導(dǎo)意義[11]。一般來說，結(jié)構(gòu)緊密規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)較大，而無定型結(jié)構(gòu)或者鍵強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)較小[12]。在玄武巖軟化溫度點(diǎn)下的3 個(gè)溫度范圍內(nèi)，對(duì)其線性膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，線膨脹系數(shù)從大到小依次為模擬月壤三＞模擬月壤四＞模擬月壤二＞模擬月壤一，見表3。線膨脹系數(shù)越大，玄武巖熔體網(wǎng)絡(luò)骨架越松散，熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能越差，熔制溫度也越低。從熱學(xué)、化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性來看，模擬月壤一和模擬月壤二最優(yōu)。

表3 4 種玄武巖在膨脹軟化點(diǎn)以下各溫度范圍的熱膨脹系數(shù)

模擬月壤的成分對(duì)線膨脹系數(shù)有很大的影響，模擬月壤三的線膨脹系數(shù)最大，從其組成成分可以看出，與其他樣品相比，模擬月壤三中SiO2含量最低，而堿金屬氧化物Na2O、K2O 的含量最高，SiO2能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)骨架，提高鍵強(qiáng)度，從而起到提高熱穩(wěn)定性、降低線膨脹系數(shù)的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)玄武巖纖維的不同使用性能要求來調(diào)節(jié)玄武巖的組成，兼顧線膨脹系數(shù)和熔化成型的溫度。

不同化學(xué)組成的玄武巖礦石具有不同的黏度—溫度曲線（如圖3 所示），它們的黏度變化速率不同，即“料性”不同。黏度變化速率大的玄武巖熔體的“料性”短，黏度變化速率大的玄武巖熔體的“料性”長(zhǎng)，即當(dāng)黏度變化相同時(shí)，溫差大的為“料性”長(zhǎng)，具有更長(zhǎng)的成型時(shí)間，一般人們會(huì)對(duì)物料黏度下限η1=103.0 Pa·s 與物料黏度上限η2=106.6 Pa·s時(shí)的物料溫度差進(jìn)行比較。由于開展的高溫黏度試驗(yàn)溫度高達(dá)1 260.8 ℃~1 518.1 ℃，導(dǎo)致黏度較低，為6.538 Pa·s~105.440 Pa·s，無法得到η2黏度點(diǎn)，因此采用擬合Arrhenius 公式（公式（1））和Vogel-Fulcher-Tamman 公式（公式（2））對(duì)lgη-T-1 的線性關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖4 所示（見表4）。由圖4 可知，VFT非線性擬合所得數(shù)據(jù)與Arrhenius 線性擬合所得數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值。

圖3 模擬月壤熔體黏度隨溫度變化曲線

圖4 模擬月壤熔體的lgη-T-1 曲線

表4 模擬月壤熔體Arrhenius 公式和VFT 公式擬合相關(guān)系數(shù)

式中：η為熔體黏度；Aa為常數(shù)；Ba為常數(shù)，Ba=-Ea/R（Ea為活化能；R為氣體常數(shù)）；AVFT、BVFT為與熔體組成相關(guān)的常數(shù)；TVFT為擬合參數(shù)；R2為擬合數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)。

將η1=103.0 Pa·s 和η2=106.6 Pa·s 分別代入對(duì)應(yīng)擬合得到的4 種玄武巖熔體VFT 公式，分別得到相應(yīng)的溫度點(diǎn)T1和T2，溫差ΔT=T1-T2。ΔT越大，“料性”越長(zhǎng)，具有更長(zhǎng)的成型時(shí)間。由表5 可知，模擬月壤一熔體的ΔT更大，“料性”長(zhǎng)，具有更長(zhǎng)的成型時(shí)間，而模擬月壤二與模擬月壤四熔體的ΔT相對(duì)較低，“料性”短，具有較短的成型時(shí)間。該試驗(yàn)提供了模擬月壤的重要熔體紡絲工藝參數(shù)，例如拉絲成型點(diǎn)和發(fā)生轉(zhuǎn)變點(diǎn)的黏度、溫度，見表6。

表5 4 種玄武巖熔體料性溫度特征值（VFT 法）

表6 重要工藝階段的黏度—溫度值（VFT 非線性擬合法）

3 結(jié)語

該文研究了模擬月球玄武巖重要成分——氧化鐵和氧化鈉含量對(duì)黏度、熔制溫度和析晶溫度等特性的影響規(guī)律，獲得玄武巖黏度—溫度關(guān)系和析晶溫度區(qū)間等重要參數(shù)。研究表明，不同的月球玄武巖原料具有不同的“料性”，需要相應(yīng)地調(diào)整紡絲參數(shù)，也可以通過調(diào)配月球玄武巖成分，獲得可紡性好的紡絲流體，滿足月球玄武巖紡絲的需求。該結(jié)果是月球就地取材開發(fā)玄武巖纖維的重要依據(jù)，可為未來月球基地建設(shè)提供重要參考。