模拟月尘BHLD20改进研究

孙 浩，高海洋，沈志刚，张晓静，杨艳静

（1.北京卫星环境工程研究所，北京100094；2.北京航空航天大学航空科学与工程学院粉体技术研究开发北京市重点实验室，北京100191）

1 引言

月球表面存在永久尘埃层，有时甚至发生月球尘暴［1-2］。根据阿波罗计划总结报告，月球尘埃曾给探月任务的实施造成诸多麻烦［3］。为了研究这种无处不在的尘埃特性，所有着陆的阿波罗飞船都搭载了月尘实验设备（Lunar Dust EXperiment，LDEX），用以原位监测和记录这种细小颗粒的运动信息［4］。此后，针对返回的阿波罗月球样品的研究又进一步将月尘研究推向深入［5］。2013年发射升空的月球大气与粉尘环境探测器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）首次获得了近月空间浮尘的时空分布特点，并得出了月球表面上空存在大范围的永久尘埃层的结论，如图 1所示［6］。

图1 LADEE测量的月球浮尘空间和时间分布示意图［6］Fig.1 A permanent but asymmetric dust cloud around the Moon probed by the LADEE mission［6］

月球浮尘研究主要是通过月面原位研究、地基或环月遥感观测、真实月尘样品研究和模拟月尘研究四种途径进行。由于地面研究样品消耗量大，而可采集的原始月尘样品有限，难以满足地面各种试验工况的需求，因此多使用地面模拟月尘替代珍贵的月尘样品［7］。月球和地球地质组成的相似性使得利用地球材料制备月球浮尘模拟物成为可能。 目前，NASA［8-9］、中科院地化所［10］已经分别研制出JSC-1Avf，NU-LHT-1D和CLDS-i模拟月尘产品。JSC-1Avf是模拟月壤JSC-1A的月尘版本，以阿波罗14样品为参照，加入了胶结质和纳米铁。NU-LHT-1D是模拟月壤NU-LHT-1M的月尘版本，以阿波罗16样品为参照，玻璃相100%人工制备。CLDS-i是模拟月壤CLRS-1的月尘版本，以阿波罗15样品为参照，玻璃相为火山玻璃富集物。受限于模拟月壤的研制方法，已有模拟月尘在化学成分、胶结质玻璃、粒度等特性仿真度方面均存在一定缺憾，并且难以实现多样化开发，导致其应用面偏窄。

基于上述应用需求和研制现状，本文将依托新研制的20 μm模拟月尘 BHLD20（Beihang Lunar Dust Simulant 20 μm，即北京航空航天大学20 μm级模拟月尘），探讨在粒度分布、化学组成、胶结质等方面提升模拟月尘仿真度的技术路线，同时，基于BHLD20的研制路线提出模拟月尘或模拟月壤多样化研制新思路。希望为今后我国探月工程的地面试验研究提供有益参考。

2 BHLD20改进

2.1 原料配制

2.1.1 初始原料

考虑到月球表面地质及其演化特点、月尘与月壤组成成分差异，BHLD20原料选为黑色重质火山渣与基性斜长石的混合物，见图2。黑色重质火山渣取自吉林省辉南县附近的火山群带，它与月面玄武质组成接近，同属于新鲜的岩浆喷出物［5］。另外，由于月尘比月壤含有更多的斜长石成分，且玻璃相成分介于玄武岩和斜长岩之间［2，11］，因此在 20 μm 模拟月尘研制过程中，添加了斜长石成分。基性斜长石以河北省灵寿县出产的钙长石和钠长石通过配比与烧结得到［12］。

图2 模拟月尘BHLD20原料Fig.2 Raw materials for producing BHLD20

2.1.2 胶结质制备

月球胶结质是非晶质玻璃和岩石矿物碎屑胶结在一起形成的复合体（非晶质占20% ～70%），在月面微流星体撞击引起的局部熔融作用和月面低温骤冷作用共同影响下生成［13-14］。由于地面不具备上述条件，因此火山渣中不含该特殊结构［15］。火山渣中含有的玻璃称为火山玻璃，是一种纯玻璃物质，与胶结质存在特征上的差别。胶结质颗粒在月尘中占有较大比重，而且由于其结构复杂，很大程度上影响月尘的特性，因此在研制模拟月尘的过程中制备胶结质材料十分重要［12］。

BHLD20胶结质制备使用火山渣和基性斜长石混合物粉体为原料，通过高温马弗炉加热和快速水冷过程，成功制备出玻璃相含量可控的胶结质产物，如图 3 所示。 经研究［12］，1200℃ 加热20 min是合适的选择，加热不足熔融物少，而过烧将导致生成大量的玻璃碎片。

图3 模拟月尘BHLD20胶结质材料［12］Fig.3 Agglutinate analog for producing BHLD20［12］

2.2 微纳米粉体制备

2.2.1 初步粉碎

通过气流粉碎机，可以将上述较大的胶结质材料分裂成小胶结质颗粒、纯玻璃颗粒、矿物颗粒，作为BHLD20的中间产物（中值粒径5 μm）。为了进一步细化至微纳米级别，需使用湿法砂磨的方法。

2.2.2 湿法砂磨

为了达到月尘中值粒径100 nm～300 nm的目标，BHLD20研制过程中使用了实验室型（1.5 L）棒梢式砂磨机，研磨介质为锆球，分散介质为去离子水。研究结果表明，使用BHLD20中间产物连续研磨30～40 min可一次性使颗粒粒径研细至中值粒径285 nm左右，此为模拟月尘颗粒的真实粒度分布。

2.3 分散提取

2.3.1 分散剂的选择

随着时间的推移，原本分散的无机颗粒在浆料中发生团聚沉降，使干燥后粉体的粒度大幅增加［16］，如图 4（a）（b）。 为此，在研制模拟月尘BHLD20的过程中，考虑使用分散剂缓解甚至消除团聚带来的影响。研究结果表明，使用浓度为0.5%的硅烷偶联剂A151加超声搅拌，团聚的模拟月尘颗粒粒度分布可以被还原，见图4（c）。

图4 模拟月尘BHLD20的团聚与分散Fig.4 Agglomerated BHLD20 with out and with dispersion

2.3.2 粉体提取

在BHLD20浆料中颗粒分散条件良好的前提下，立即将浆料干燥，去除溶剂以提取粉体。在此过程中，由于液桥力的作用，一些颗粒仍会发生软团聚现象。BHLD20制备的最后一步使用气流粉碎力破坏颗粒软团聚，达到固体颗粒充分分离的目的。最终，干态模拟月尘产品BHLD20如图5所示，相对密度2.72×103kg／m3（比重瓶法）。

图5 模拟月尘BHLD20Fig.5 Lunar dust simulant BHLD20

3 BHLD20基本特性

3.1 粒度分布

使用激光粒度分析仪测得的模拟月尘BHLD20粒度分布如图6（b）所示，中值粒径约为285 nm， 与 阿 波 罗 真 实 月 尘 样 品 接 近［8］。BHLD20的粒度分布区间较窄，原因在于阿波罗月尘样品采用了过时的湿法筛分技术与基于SEM 的统计测量法［8，17-18］，而 BHLD20 采用了先进的湿法砂磨技术和激光粒度仪测量法。激光粒度仪测量粒度的结果相比筛分法偏小，它对团聚不如筛分法敏感。

图6 真实月尘与模拟月尘BHLD20粒度分布Fig.6 PSD of lunar dust sample and its simulant BHLD20

3.2 微观形貌

BHLD20主要由形状不规则的胶结质颗粒和形状圆润的纯玻璃球粒组成，如图 7（f）～（j）所示，与真实月尘样品相似［11，19］。它们是在特定的加热条件下生成的，模拟了月球表面微流星体撞击熔融作用。然而，由于缺少某些月面空间风化作用，BHLD20颗粒气泡构造的比重可能和真实月尘存在差距。

图7 真实月尘与模拟月尘BHLD20颗粒微观形貌Fig.7 Particle texture and shape characteristics of lunar dust sample and its simulant BHLD20

3.3 化学组成

由于胶结质的存在，BHLD20中玻璃相含量大于原始火山渣和基性斜长石原料中的玻璃相含量，符合月尘成熟度高的特点［12］。经计算，火山玻璃、斜长石及其他矿物晶体约各占20%。BHLD20及代表性阿波罗月尘样品［20］化学成分见表1。BHLD20与各型月尘样品化学成分总体相近，因铁、钛元素不足，不是典型的月海类型模拟物，又因钙、铝元素不足，也不完全是高地模拟月尘，与阿波罗14月尘样品情况类似，仅Mg含量偏低［7］。 此外，BHLD20的 CaO 含量偏低，而SiO2、Na2O和K2O含量偏高符合地球矿物特点。

表1 部分真实月尘样品（＜10 μm）［20］与 BHLD20化学成分比较Table 1 Chemistry of representative lunar dust sample（ ＜10 μm）［20］and BHLD20

由于BHLD20是在大气环境中制备得到的，而纳米铁在空气中难以稳定存在，因此BHLD20微粒表面不含有纳米铁单质。但BHLD20中含有少量铁氧化物，使其具有一定的磁性。纳米铁因其高昂的制备成本及有限的用途，目前仅在个别模拟月尘中有所涉及，对于通用型号模拟月尘，并非必需。

通过对上述基本参数的测量可知，模拟月尘BHLD20在粒度分布、微观形貌、矿物组成、化学成分、胶结质等关键指标上与真实月尘样品特别是阿波罗14月尘比较接近。但BHLD20既不属于月海类型，亦不属于高地类型。实际上，它具有成分（类型）可调节的优势，适合作为各类模拟月尘的“原型”，通过加入迹矿物进一步逼近特定类型模拟月尘组成。

4 结论

20 μm模拟月尘BHLD20与大部分阿波罗月尘样品在粒度分布、微观形貌、微粒组成与化学成分方面表现出高度的相似性，使其成为理想的月尘替代品。BHLD20不属于特定类型的模拟月尘，而是一种“原型”模拟月尘。首先，通过引入斜长石矿物原料，改善了模拟月尘整体及其玻璃相化学成分的准确性，同时为研制各型模拟月尘创造了条件；第二，通过控制高温马弗炉的加热条件，可以制备出玻璃相含量（成熟度）不同的模拟月尘；第三，通过限制纳米砂磨机的研磨条件，能够制备粗细不同、具有特定粒度分布的模拟月尘。第四，模拟月尘的团聚与分散现象得到了关注，质疑了阿波罗月尘样品的粒度分布，为正确获得模拟月尘粒度分布提供了方法。BHLD20的出现，为多样化制备模拟月尘提供了可能，尽管其必要性仍有待论证。大气环境下制备模拟月尘会使尘埃颗粒失去化学活性，可能不利于进行月尘毒性和光学特性的模拟研究。尽管如此，BHLD20还是可以作为通用型号模拟月尘参与常规试验研究，例如飘浮、附着、磨损、烧结、资源提取、防除尘技术开发等，这些研究往往与模拟月尘特性联系紧密。

随着我国探月工程三期的开展，月壤样品即将返回，有关月尘的研究将引起更多的重视。特别是基于月尘特性的月尘危害，数次阿波罗任务已经给出充分的诠释。地面研究月尘问题时，往往需要消耗大量月球样品。而使用模拟月尘是正确选择，可以弥补真实月球样品量的严重不足。目前对于月尘、月壤的模拟，大多基于阿波罗等国外早期探月实践留下的成果，具有局限性。嫦娥五号月壤样品的返回，将有助于进一步认识月尘，有助于模拟月尘的研制和使用。在此过程中，建议设立模拟月尘质量评价准则，加快开展模拟月尘应用技术研究，拓展模拟月尘试验领域，将模拟月尘与探月实际广泛地连接起来，更好地服务我国探月任务，助推航天事业又好又快发展。