模擬月球玄武巖的紡絲熔體研究

陳中武 劉 菘 劉 麗 賴小明 曹柏青 黎 俊

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

0 引言

作為人類探索月球未知空間、開發月球資源的重要途徑，建設月球基地對人類深空探測及擴展地球之外的人類文明具有重要意義[1]。建設月球基地最核心的問題是獲取基礎材料，考慮運輸成本，長期供給的穩定性、靈活性以及后期維護的可行性，選擇月壤作為高性能增強體纖維的原材料都是最佳方案。研究表明，月表存在儲量豐富且極易獲得的玄武巖材料，這為開發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纖維，被稱為21 世紀的綠色工業原料[3]。但是在月球表面開發玄武巖纖維的難度極大，最關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定，在全自動化模式下難以進行連續紡絲及其相應的工藝調整。

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

1 試驗部分

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組成對黏度、熔制溫度、析晶溫度和熱膨脹系數的影響機制與地表類似。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；堿金屬（Na2O、K2O）和堿土金屬（CaO、MgO）可以降低黏度和熔制溫度，但是會提高析晶上限溫度，影響纖維成型質量。與美國Apollo14 號樣品[4-5]相比，嫦娥五號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），重點研究組分變化對模擬月球玄武巖熔體特性的影響規律。

表1 模擬月壤、嫦娥五號月壤以及Apollo-14 樣品成分

1.3 測試方法

該試驗采用的測試方法如下：1） X 射線衍射光譜（XRD）測試。采用日本Shmadzu 公司生產的XRD-6100 型X 射線衍射儀。測試中掃描的速率為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） 膨脹系數測試。采用德國Netzsch 公司生產的DIL 402C 型熱膨脹儀測定熱膨脹性能。4） 流變性能測試。采用德國HAAKE 公司生產的旋轉流變儀（MARS）。

2 結果與討論

通過XRD 對模擬月壤晶體結構進行表征，結果如圖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39-1425），次晶相為珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片號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18-0276），次晶相為硫鋁酸鈣（Yeelimite， syn Ca4Al6O12SO4，卡片號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18-0276），次晶相為方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片號39-1425）。模擬月壤四的主晶相為方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片號39-1425），次晶相為珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片號18-0276）。結果表明，成分的變化會導致模擬月壤結晶能力、晶體結構以及晶體組成發生相應變化，進而影響玄武巖石的熔融行為[6-7]。因此，在月表進行玄武巖纖維紡制前須確定月壤具體成分。

圖1 模擬月壤晶體結構

在玄武巖纖維成型的過程中，玄武巖熔體處于介穩態，冷卻的熔體降至一定溫度后會產生析晶現象（如圖2 所示），析晶會影響玄武巖纖維的質量和均勻性，進而降低其力學性能，甚至使纖維斷裂[8-9]。因此，為了得到高品質的玄武巖纖維，應盡量避免出現析晶現象。析晶上限溫度（即冷卻過程中最早能夠出現析晶的溫度）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間反應了樣品的析晶趨勢，溫度區間越小，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4 個樣品的析晶上限和下限溫度進行測量和確定，結果見表2。

表2 梯溫爐測試試樣相關上、下限析晶溫度

對比測試結果可知，析晶上限溫度高低的順序為模擬月壤四＞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。析晶溫度區間大小的順序為模擬模擬月壤四＞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間均最小，礦石拉絲性能最好。

熱膨脹系數直接反映了材料的熱穩定性和機械穩定性，對其熱處理過程具有重要的指導意義[11]。一般來說，結構緊密規整的晶體結構熱膨脹系數較大，而無定型結構或者鍵強度高的結構的熱膨脹系數較小[12]。在玄武巖軟化溫度點下的3 個溫度范圍內，對其線性膨脹系數進行測試。結果表明，線膨脹系數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。線膨脹系數越大，玄武巖熔體網絡骨架越松散，熱穩定性、化學穩定性和機械性能越差，熔制溫度也越低。從熱學、化學和機械穩定性來看，模擬月壤一和模擬月壤二最優。

表3 4 種玄武巖在膨脹軟化點以下各溫度范圍的熱膨脹系數

模擬月壤的成分對線膨脹系數有很大的影響，模擬月壤三的線膨脹系數最大，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能夠增強網絡骨架，提高鍵強度，從而起到提高熱穩定性、降低線膨脹系數的作用。在實際應用中，可以根據玄武巖纖維的不同使用性能要求來調節玄武巖的組成，兼顧線膨脹系數和熔化成型的溫度。

不同化學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，即當黏度變化相同時，溫差大的為“料性”長，具有更長的成型時間，一般人們會對物料黏度下限η1=103.0 Pa·s 與物料黏度上限η2=106.6 Pa·s時的物料溫度差進行比較。由于開展的高溫黏度試驗溫度高達1 260.8 ℃~1 518.1 ℃，導致黏度較低，為6.538 Pa·s~105.440 Pa·s，無法得到η2黏度點，因此采用擬合Arrhenius 公式（公式（1））和Vogel-Fulcher-Tamman 公式（公式（2））對lgη-T-1 的線性關系進行擬合，如圖4 所示（見表4）。由圖4 可知，VFT非線性擬合所得數據與Arrhenius 線性擬合所得數據更接近真實值。

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 公式擬合相關系數

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

將η1=103.0 Pa·s 和η2=106.6 Pa·s 分別代入對應擬合得到的4 種玄武巖熔體VFT 公式，分別得到相應的溫度點T1和T2，溫差ΔT=T1-T2。ΔT越大，“料性”越長，具有更長的成型時間。由表5 可知，模擬月壤一熔體的ΔT更大，“料性”長，具有更長的成型時間，而模擬月壤二與模擬月壤四熔體的ΔT相對較低，“料性”短，具有較短的成型時間。該試驗提供了模擬月壤的重要熔體紡絲工藝參數，例如拉絲成型點和發生轉變點的黏度、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黏度、熔制溫度和析晶溫度等特性的影響規律，獲得玄武巖黏度—溫度關系和析晶溫度區間等重要參數。研究表明，不同的月球玄武巖原料具有不同的“料性”，需要相應地調整紡絲參數，也可以通過調配月球玄武巖成分，獲得可紡性好的紡絲流體，滿足月球玄武巖紡絲的需求。該結果是月球就地取材開發玄武巖纖維的重要依據，可為未來月球基地建設提供重要參考。