[发明专利]一种模拟月壤地聚合物材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种模拟月壤地聚合物材料的制备方法，考虑月壤实际级配，同时模拟月球实际温度和真空环境进行养护，使地聚合物材料的制备与养护更加贴近月球的真实场景，更具实际应用效果，同时进一步提升地聚合物材料强度。另一方面，本发明涉及的真空水循环控温箱可以模拟月球真空环境和月球实际温度，水分收集装置可以循环利用模拟月壤地聚合物的水分。

技术领域

本发明属于月球原位资源利用技术领域，尤其涉及一种模拟月壤地聚合物材料的制备方法。

背景技术

月球是离地球最近的天体，拥有独特的宇宙空间环境、绝佳的太空观测位置和丰富的矿产资源，这使月球成为深空探测任务的重要中转站。目前，登月开发月球资源和建设月球基地已成为航天大国和航天新兴国家竞争的焦点。月球建筑材料的开发对提高月球基地的功能和交通运行效率至关重要。一方面来讲，月球建筑材料可以用于月球庇护所的搭建，用于防止陨石撞击和太空辐射的正面影响；另一方面，月球建筑材料可以用于月球道路的建设，有效提升月球运输设备的速度和安全性，提高人员和货物的运输效率，从而提高月球科研活动的效率。

月球建筑材料的取材十分重要，考虑到将大体量的材料从地球运输到月球的难度和极高的成本，通过月球原位资源利用技术，即利用月球上现有的资源生产建筑材料是解决月球基地建设原材料问题的关键。具体现有相关研究为：一些研究人员利用富含硫的月球土壤来生产硫磺混凝土。虽然这种方法解决了原料来源的问题，但是当温度达到119℃时，硫磺混凝土会熔化变形，而月球表面的最高温度可以达到125℃，这极大地限制了硫磺混凝土的应用。另一种方法是利用高温光束聚焦阳光，固化月球土壤，用于铺设月球表面。然而，材料内部的热应力会导致月壤板的翘曲变形，不符合实际施工要求。其他研究发现月球土壤是一种富含硅和铝的无机矿物材料。近年来，随着对地聚合物材料性质和反应机理的深入研究，提出了利用月球土壤合成地聚合物生产月球建材的新方案。

地聚合物是Davidovits在20世纪80年代发现的一种新型无机高分子胶凝材料。其是一种用碱活化富含硅和铝的前驱体材料合成的具有共价键合聚合物结构的硅酸铝材料。与普通硅酸盐水泥相比，具有高力学强度、耐高低温、耐辐射、耐冻融、更好的耐久性、低收缩率等优点。此外，月球极地地区可能存在的水和冰也能为地聚反应提供水分子。因此，利用地聚合物技术制作月球建材是可行的。

从阿波罗计划飞船上带回的月球土壤非常有限。然而，地聚合物建材施工技术的研究需要大量月壤进行试验。因此，有必要在地球上寻找一种类似真实月壤的物质作为替代品进行相关研究。目前典型的月壤模拟有JSC-1、MLS-1、MKS-1、FJK-1、CAS-1、TJ-1等。世界各地的研究人员一直在使用月壤模拟物来制备地聚合物。Montes等使用JSC-1A月壤模拟剂制备地聚合物。这种材料证明具有抗辐射的能力。Wang等利用喀麦隆火山灰制备月壤模拟剂，研究了地聚合物的抗冻和抗融能力。Pilehvar等人在月球地聚合物混合物的基础上使用尿素作为高效减水剂进行3D打印。月壤模拟材料制备地聚合物已成为月球基建领域的研究热点。

现有的月球材料建设的原位资源利用技术存在如下问题：模拟月壤制备地聚合物制备技术多采用实验磨将模拟月壤研磨成粉末后进行试验，选取的原材料仅从化学成分上与真实月壤有相似之处，而忽略了月壤的粒径级配情况，然而，粒径粗细对地聚合反应产物的强度有极大影响，考虑到在月球上进行月壤破碎难度较大，有必要按照真实月壤的颗粒级配制备模拟月壤并制备地聚合物，在月球基地建设初期使用开挖到的月壤直接制备地聚合物作为建筑材料，可以减少原材料磨细的步骤，节约成本，降低施工难度；另外，现有的模拟月壤地聚合物实验过程中，多采用地球室温养护或单一温度恒温养护的方法，忽略了月球实际温度的变化情况，而温度对地聚合物的强度影响很大，使实验结果缺乏参考意义；同时，材料养护多采用普通养护方法，忽略了月球的真空环境，且没有重复利用水资源，造成了水资源浪费。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明考虑月壤实际粒径级配情况提出一种模拟月壤地聚合物材料的制备方法，本发明的具体技术方案如下：