CN116813357B - 一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,它涉及一种模拟火星壤的烧结成型方法。本发明的目的是要解决现有方法制备的模拟火星壤块体材料存在力学性能差的问题。方法:采用一定的压力和保压时间将模拟火星壤压制成圆柱状坯体,得到模拟火星壤坯体;二、在二氧化碳气体气氛下对模拟火星壤坯体进行烧结,得到模拟火星壤块体材料。本发明制备的模拟火星壤块体材料的压缩强度为129MPa,硬度最高达到10GPa,与文献中报道的空气气氛烧结51MPa相比,性能提升了152%,因此,采用本发明的方法,可大幅提升模拟火星壤烧结体的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟火星壤的烧结成型方法。
背景技术
深空探测是人类未来航天活动的热点发展发向之一。未来的深空探测活动,规模将越来越大、周期将越来越长。鉴于高昂的太空运输费用,如何充分利用外星上丰富的能源和矿产资源,摆脱对地球资源和运输方式的依赖,已经成为建立和运行外星基地等中长期任务的关键技术,也是持续性和有扩展性地开展地外天体驻留和科学研究的基础。美国NASA最先提出了太空资源原位利用概念及其实现途径,并将该计划作为优先技术优先发展。太空原位资源利用技术是指通过勘测、获取和利用地外天体的天然资源,如大气和土壤等,制造水、氧气、推进剂、房屋等建设外星基地的必需品,增强空间自给自足能力,减少对地球供给的依赖。太空原位制造技术是现阶段国内和国际的研究热点,也是当前需求最为强烈的领域。相比于在地面完成制造后发送至太空的方式,太空原位制造技术具有明显的技术和成本优势。
火星壤作为天然的防辐射材料,有望对将来人类在火星的生存提供相对安全的环境。然而,目前报道的火星壤烧结研究多使用保护性气氛或空气气氛烧结。然而火星大气主要由二氧化碳(95.3%)、氮气(2.7%)以及少量其他气体组成,大气压在100-1500Pa之间。烧结气氛会大大影响高温成型过程中可能发生的固相反应类型和物理化学变化,尤其是火星壤化学组成极为复杂。Chow B J,Chen T,Zhong Y,et al.Direct formation ofstructural components using a martian soil simulant.Scientific Reports,2017,7,1151该文章中公开了:采用干压法制备的模拟火星壤块体材料的弯曲强度为50MPa;DKarl,F Kamutzki,A Zocca,et al.Towards the colonization of Mars by in-situresource utilization:slip cast ceramics frommartian soil simulant.PLoS ONE,2018,13(10),e0204025该文章中公开了:在1130℃空气气氛下烧结的模拟火星壤块体材料压缩强度为51MPa;N Shiwei,Dritsas S,Fernandez J G.Martian biolith:Abioinspired regolith composite for closed-loop extraterrestrialmanufacturing.PLoS ONE,2020,15(9),e0238606该文章中公开了:采用生物粘结剂成型模拟火星壤,块体材料强度为3.5MPa;由此可知:现有方法制备的模拟火星壤块体材料存在力学性能差的问题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有方法制备的模拟火星壤块体材料存在力学性能差的问题,而提供一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法。
一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,具体是按以下步骤完成的:
一、采用一定的压力和保压时间将模拟火星壤压制成圆柱状坯体,得到模拟火星壤坯体;
二、将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以一定的升温速率将管式炉升温至1100℃~1200℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1100℃~1200℃的条件下保温一定时间,最后随炉冷却至室温,获得模拟火星壤块体材料。
本发明的优点:
一、本发明在二氧化碳气氛下烧结模拟火星壤,获得了具有良好力学性能的模拟火星壤块体材料;
二、本发明制备的模拟火星壤块体材料的压缩强度为129MPa,硬度最高达到10GPa,与文献中报道的空气气氛烧结51MPa相比,性能提升了152%,因此,采用本发明的方法,可大幅提升模拟火星壤烧结体的力学性能。
附图说明
图1为本发明的制备流程图;
图2为实施例1步骤一中所述的模拟火星壤的宏观照片和SEM图像,其中(a)为宏观照片,(b)为SEM图像;
图3为实施例1步骤一中所述的模拟火星壤的粒度分布图;
图4为实施例1步骤一中所述的模拟火星壤与真实火壤成分对比图;
图5为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的SEM图;
图6为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的XRD图;
图7为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的压缩应力应变曲线;
图8为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料在室温至200℃温度区间的热膨胀系数。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,具体是按以下步骤完成的:
一、采用一定的压力和保压时间将模拟火星壤压制成圆柱状坯体,得到模拟火星壤坯体;
二、将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以一定的升温速率将管式炉升温至1100℃~1200℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1100℃~1200℃的条件下保温一定时间,最后随炉冷却至室温,获得模拟火星壤块体材料。
本实施方式步骤一中所述的模拟火星壤购买自中国科学院地球化学研究所,型号为:JMSS-1。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同点是:步骤一中所述的模拟火星壤的粒径为1μm~100μm。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是:步骤一中所述的压力为8MPa~15MPa;步骤一中所述的保压时间为1min~5min。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是:步骤一中在12MPa的压力下保压3min将中值粒径为10μm模拟火星壤压制成Ф20mm×6.5mm的圆柱状坯体。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是:步骤一中在10MPa的压力下保压1min将中值粒径为50μm模拟火星壤压制成Ф10mm×10mm的圆柱状坯体。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是:步骤一中在8MPa的压力下保压1min将中值粒径为30μm的模拟火星壤压制成Ф25mm×10mm的圆柱状坯体。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是:步骤二中所述的升温速率为3℃/min~5℃/min;步骤二中所述的保温的时间为20min~60min。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是:步骤二中将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以5℃/min的升温速率将管式炉升温至1100℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1100℃的条件下保温30min,最后随炉冷却至室温,获得致密度为83%的模拟火星壤块体材料。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是:步骤二中将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以3℃/min的升温速率将管式炉升温至1130℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1130℃的条件下保温60min,最后随炉冷却至室温,获得致密度为86%的模拟火星壤块体材料。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是:步骤二中将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以1℃/min的升温速率将管式炉升温至1200℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1200℃的条件下保温20min,最后随炉冷却至室温,获得致密度为80%的模拟火星壤块体材料。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例1:一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,具体是按以下步骤完成的:
一、在15MPa的压力下保压5min将中值粒径为12μm的模拟火星壤压制成Ф20mm×10mm的圆柱状坯体,得到模拟火星壤坯体;
步骤一中所述的模拟火星壤购买自中国科学院地球化学研究所,型号为:JMSS-1;
二、将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,以5℃/min的升温速率将管式炉升温至1130℃,并保温30min,最后随炉冷却至室温,获得模拟火星壤块体材料。
通过SEM对实施例1步骤一中所述的模拟火星壤的微观形貌进行观察分析,如图2所示;
图2为实施例1步骤一中所述的模拟火星壤的宏观照片和SEM图像,其中(a)为宏观照片,(b)为SEM图像;
从图2可知,模拟火星壤呈现不规则的棱状或次棱状。
图3为实施例1步骤一中所述的模拟火星壤的粒度分布图;
由图3可知,模拟火星壤的中值粒径D50为12μm,小于100μm的颗粒占比分别为98.86%。
图4为实施例1步骤一中所述的模拟火星壤与真实火壤成分对比图;
从图4可知:模拟火星壤的主要化学成分为SiO2、FeOT、Al2O3、MgO、TiO2、CaO、Na2O等,与真实火星壤原位探测数据相似,其中Al2O3、MgO、CaO的含量相较于真实火星壤含量偏低。
在二氧化碳气氛下烧结后,实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的致密度达到86%,SEM图见图5所示;
图5为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的SEM图;
从图5可知:实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的内部孔隙均匀分布,微观结构由二氧化硅玻璃相包裹着矿物晶粒组成。
图6为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的XRD图;
从图6可知:实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的主要成分有长石((Ca0.78Na0.22)(Al1.78Si0.22)Si2O8)、Fe2O3、TiO2、(Fe,Mg)SiO4、MgO等;烧结后(Fe,Mg)SiO4相的含量显著增加,这是由于氧化铁、氧化镁以及二氧化硅发生化学反应,生成了(Fe,Mg)SiO4混合物。
图7为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的压缩应力应变曲线;
从图7可知:实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料的压缩强度平均值可达129MPa,与文献中报道的空气气氛烧结51MPa相比,性能提升了152%,采用本发明的方法,可大幅提升模拟火星壤烧结体的力学性能。
图8为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料在室温至200℃温度区间的热膨胀系数;
从图8可知:实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料在室温至200℃温度区间的热膨胀系数为(4.83~5.35)×10-6℃-1。
表1为实施例1步骤二获得的模拟火星壤块体材料在-80℃,-60℃和20℃下的热导率;
表1
温度/℃ | 热导率(W/(m·K)) |
-80 | 0.98 |
-60 | 1.03 |
20 | 1.16 |
Claims (10)
1.一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的:
一、采用一定的压力和保压时间将模拟火星壤压制成圆柱状坯体,得到模拟火星壤坯体;
二、将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以一定的升温速率将管式炉升温至1100℃~1200℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1100℃~1200℃的条件下保温一定时间,最后随炉冷却至室温,获得模拟火星壤块体材料。
2.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤一中所述的模拟火星壤的粒径为1μm~100μm。
3.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤一中所述的压力为8MPa~15MPa;步骤一中所述的保压时间为1min~5min。
4.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤一中在12MPa的压力下保压3min将中值粒径为10μm模拟火星壤压制成Ф20mm×6.5mm的圆柱状坯体。
5.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤一中在10MPa的压力下保压1min将中值粒径为50μm模拟火星壤压制成Ф10mm×10mm的圆柱状坯体。
6.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤一中在8MPa的压力下保压1min将中值粒径为30μm的模拟火星壤压制成Ф25mm×10mm的圆柱状坯体。
7.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤二中所述的升温速率为3℃/min~5℃/min;步骤二中所述的保温的时间为20min~60min。
8.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤二中将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以5℃/min的升温速率将管式炉升温至1100℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1100℃的条件下保温30min,最后随炉冷却至室温,获得致密度为83%的模拟火星壤块体材料。
9.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤二中将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以3℃/min的升温速率将管式炉升温至1130℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1130℃的条件下保温60min,最后随炉冷却至室温,获得致密度为86%的模拟火星壤块体材料。
10.根据权利要求1所述的一种模拟火星壤的二氧化碳气氛烧结成型方法,其特征在于步骤二中将模拟火星壤坯体放置于管式烧结炉中,向管式烧结炉中持续通入二氧化碳气体,再以1℃/min的升温速率将管式炉升温至1200℃,再在二氧化碳气体气氛和温度为1200℃的条件下保温20min,最后随炉冷却至室温,获得致密度为80%的模拟火星壤块体材料。
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