[发明专利]一种模拟月壤地聚合物材料的制备方法

权利要求书

1.一种模拟月壤地聚合物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：原材料的选取与鉴别；

S1-1：从露天矿床中开采天然火山灰作为模拟月壤原材料，由颚式破碎机进行初步破碎；

S1-2：利用X射线衍射分析、X射线荧光光谱分析以及扫描电镜观察步骤S1-1得到的火山灰的矿物组成、化学成分和微观形貌；

S1-3：将步骤S1-2的结果与已经公开的美国阿波罗计划取回地球的真实月壤数据资料对比分析，确定模拟月壤原材料与真实月壤的相似性：

X射线衍射分析步骤S1-1得到的火山灰的矿物组成，其中，原材料与真实月壤衍射峰80％以上重合或原材料的矿物成分包含辉石、斜长石、钛铁矿、橄榄石及尖晶石中的至少一种；

X射线荧光光谱分析步骤S1-1得到的火山灰的金属氧化物成分，其中，金属氧化物含量与真实月壤含量相同，允许误差为±5％；

利用扫描电镜观察步骤S1-1得到的火山灰的微观形貌为类似真实月壤的疏松多孔的破碎状结构；

原材料同时符合以上三条标准，则原材料与真实月壤的相似性良好，能够作为原材料进行后续步骤；否则，原材料与真实月壤差异较大，不能作为制备模拟月壤的原材料；

S2：原材料预处理；

将步骤S1-1得到的模拟月壤原材料进行烘干去除表面及内部的水分，再利用颚式破碎机破碎；

S3：模拟月壤级配设置及筛分；

S3-1：依据真实月壤级配进行模拟月壤级配设计，级配设计反映模拟月壤中各粒径尺寸范围的相对含量：模拟月壤颗粒粒径的尺寸范围在0.002mm至32mm之间，其中，

100％的颗粒粒径尺寸小于32mm，允许误差为±0％，

98.4％的颗粒粒径尺寸小于8mm，允许误差为±1％，

93.3％的颗粒粒径尺寸小于2mm，允许误差为±1％，

85.5％的颗粒粒径尺寸小于0.5mm，允许误差为±20％，

62.3％的颗粒粒径尺寸小于0.125mm，允许误差为±20％，

22.8％的颗粒粒径尺寸小于0.031mm，允许误差为±10％，

3.5％的颗粒粒径尺寸小于0.0078mm，允许误差为±1％，

0％的颗粒粒径尺寸小于0.002mm；允许误差为±0％；

S3-2：依据步骤S3-1的级配设计使用方孔筛对原料进行筛分，得到各粒径范围的原材料；

S3-3：将步骤S3-2得到的模拟月壤按步骤S3-1的级配设计进行复配计算，复配计算结果为：

8mm-32mm粒径范围的原材料占比1.6％，

2mm-8mm粒径范围的原材料占比5.1％，

0.5mm-2mm粒径范围的原材料占比7.8％，

0.125mm-0.5mm粒径范围的原材料占比23.2％，

0.031mm-0.125mm粒径范围的原材料占比39.5％，

0.0078mm-0.031mm粒径范围的原材料占比19.3％，

0.002mm-0.0078mm粒径范围的原材料占比3.5％；

S3-4：用步骤S3-3的复配结果中各颗粒范围的相对含量的百分数乘以所需原料的总质量，得到各粒径范围原材料所需质量配方，称量步骤S3-2中筛分得到各粒径范围的原材料，混合并搅拌均匀，得到模拟月壤；

S4：制备模拟月壤地聚合物；

将步骤S3-3得到的模拟月壤与碱激发剂进行拌和，制备地聚合物材料浆体，倒入模具成型模拟月壤地聚合物试块；

S5：养护温度方案设计；

基于美国Diviner探测器探测到的月表温度数据确定养护温度，Diviner探测器测试并记录了月球不同纬度表面温度随时间的变化，其中，时间为月球当地时间，记录周期为24个月球时，数据间隔为1个月球时，即每个纬度每1个月球时对应一个温度数据，共计25个数据；

纬度为0°时，月表温度从0时至24时依次为102.15、100.12、98.49、97.26、96.04、95.63、132.31、263.91、317.29、350.29、372.70、386.15、391.44、386.96、373.52、351.92、318.92、267.58、162.86、117.64、111.93、108.67、105.82、103.78、101.34；

纬度为30°时，月表温度从0时至24时依次为99.30、97.67、96.45、95.23、94.00、93.19、129.05、252.10、303.84、335.62、356.40、368.63、372.70、369.44、357.63、336.85、306.69、256.58、157.57、114.38、109.49、105.41、102.97、101.34、99.30；

纬度为45°时，月表温度从0时至24时依次为94.82、93.60、92.37、90.75、90.34、89.52、123.34、237.02、287.54、316.88、336.03、347.44、350.70、347.85、337.25、318.10、289.99、243.95、151.86、110.71、105.01、101.75、99.30、97.67、95.23；

纬度为60°时，月表温度从0时至24时依次为89.12、87.89、86.67、85.45、84.63、83.41、113.97、209.31、259.84、287.14、304.25、314.03、317.29、314.44、305.06、289.58、264.32、221.13、140.86、103.78、98.49、95.23、92.78、90.75、89.12；

纬度为70°时，月表温度从0时至24时依次为83.00、81.78、80.56、79.34、78.11、78.11、105.41、185.27、232.54、256.58、273.28、281.43、284.69、282.25、274.10、259.84、237.43、197.09、130.68、96.04、91.15、88.30、85.86、84.23、82.60；

纬度为80°时，月表温度从0时至24时依次为72.00、71.19、69.97、69.15、68.34、69.97、92.37、143.71、184.46、209.31、224.80、233.76、237.02、235.39、228.06、216.65、195.46、164.09、118.04、86.67、79.34、76.89、75.26、73.22、72.00；

纬度为85°时，月表温度从0时至24时依次为62.63、61.41、61.00、60.59、62.63、69.56、83.41、106.64、133.93、154.71、170.61、178.75、183.24、182.83、177.94、168.98、155.12、136.38、111.93、89.52、75.26、68.74、66.30、64.67、62.63；

温度数据单位为K；依据以上温度数据确定养护温度，具体方法为：

S5-1：将月球时间换算为地球时间：

将Diviner探测器测得的月表温度数据的对应时间扩大30倍，得到以720小时地球时为一个周期的不同纬度月表温度随时间变化的数据，每两个数据点之间间隔30小时地球时，共计25个数据点；

S5-2：将步骤S5-1中的温度数据做线性插值，以1小时地球时作为数据间隔，得到721个数据点；

S6：模拟月球实际温度和真空环境对模拟月壤地聚合物试块进行养护；

变温控制：由步骤S5的结果，确定模拟纬度的月表温度，在进行模拟月壤地聚合物材料养护时，依据步骤S5-2中线性插值扩充后的月表温度数据，每1个小时地球时调节真空养护箱的温度，实现养护温度与所选纬度下的月表温度变化规律一致；

真空抽气：采用真空泵抽气至真空状态，模拟月球上养护的真空状态；

水分收集：在模拟月壤地聚合物试块完全养护完后，调节温度至105-120℃，使水蒸气蒸发，5-10分钟后，打开真空泵抽气，水蒸气随抽气过程进入水分收集系统进行冷凝回收，之后，取出模拟月壤地聚合物试块；

模拟月壤地聚合物试块的养护通过真空水循环控温箱实现，所述真空水循环控温箱包括真空养护箱(1)、水分收集系统(2)、真空泵(3)、蓄水槽(4)、平衡气阀(5)、抽气阀(6)，其中，

所述真空养护箱(1)一侧设置平衡气阀(5)，底部设置坡度和蓄水槽(4)，所述真空养护箱(1)能够在规定范围内调节温度，即在模拟月壤地聚合物试块模拟月球环境养护过程中，所述真空养护箱(1)能够按照选取的月球纬度，根据线性插值得到的对应纬度下月表实际温度数据，调节所述真空养护箱(1)箱体内的温度，使其与月表实际温度随时间变化规律相同，进而模拟月球温度环境；所述蓄水槽(4)用于收集养护过程中冷凝的水；

所述水分收集系统(2)与所述真空养护箱(1)通过管道相连接，所述水分收集系统(2)内置圆筒，所述圆筒内部实现水蒸气的冷凝，所述圆筒外部为冷凝循环水，用于水蒸气的冷凝收集；

所述真空泵(3)一端与所述水分收集系统(2)通过管道相连接，一端与抽气阀(6)连接，抽取整个所述真空水循环控温箱中的空气，模拟月球真空；

所述真空水循环控温箱能够同时进行变温控制、真空抽气和水分收集；

S7：强度测试；

采用万能试验机对得到的模拟月壤地聚合物进行抗压强度测试。