模拟月球玄武岩的纺丝熔体研究

陈中武 刘 菘 刘 丽 赖小明 曹柏青 黎 俊

（1.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司，四川 成都 610100；3.北京卫星制造厂529 厂，北京 100086）

0 引言

作为人类探索月球未知空间、开发月球资源的重要途径，建设月球基地对人类深空探测及扩展地球之外的人类文明具有重要意义[1]。建设月球基地最核心的问题是获取基础材料，考虑运输成本，长期供给的稳定性、灵活性以及后期维护的可行性，选择月壤作为高性能增强体纤维的原材料都是最佳方案。研究表明，月表存在储量丰富且极易获得的玄武岩材料，这为开发月壤基玄武岩纤维提供了重要保障[2]。

玄武岩纤维是继碳纤维、芳纶以及超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维，被称为21 世纪的绿色工业原料[3]。但是在月球表面开发玄武岩纤维的难度极大，最关键的影响因素是月球玄武岩成分分布不均和玄武岩熔体性能不稳定，在全自动化模式下难以进行连续纺丝及其相应的工艺调整。

针对玄武岩组成对其熔体性能影响这一关键科学问题，该文研究了模拟月球玄武岩组成对粘度、熔制温度和析晶温度等特性的影响规律，获得月球玄武岩的粘度—温度关系、析晶温度区间以及熔制工艺等重要参数，可以为制备月球玄武岩纤维提供重要的参考。

1 试验部分

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（上海麦克林生化科技有限公司）。

1.2 制备样品

理论上，月球玄武岩熔体中的化学组成对黏度、熔制温度、析晶温度和热膨胀系数的影响机制与地表类似。SiO2、Al2O3可以提高粘度和熔制温度，还可以降低析晶温度和热膨胀系数；碱金属（Na2O、K2O）和碱土金属（CaO、MgO）可以降低黏度和熔制温度，但是会提高析晶上限温度，影响纤维成型质量。与美国Apollo14 号样品[4-5]相比，嫦娥五号月壤的氧化铁含量最高，见表1。该文采用共混冶炼的方式制备了4 种模拟月壤（模拟月壤一~模拟月壤四），重点研究组分变化对模拟月球玄武岩熔体特性的影响规律。

表1 模拟月壤、嫦娥五号月壤以及Apollo-14 样品成分

1.3 测试方法

该试验采用的测试方法如下：1） X 射线衍射光谱（XRD）测试。采用日本Shmadzu 公司生产的XRD-6100 型X 射线衍射仪。测试中扫描的速率为0.7°/s，扫描角度范围为10°~70°。2） 偏光显微镜。观察玄武岩熔体析晶图。3） 膨胀系数测试。采用德国Netzsch 公司生产的DIL 402C 型热膨胀仪测定热膨胀性能。4） 流变性能测试。采用德国HAAKE 公司生产的旋转流变仪（MARS）。

2 结果与讨论

通过XRD 对模拟月壤晶体结构进行表征，结果如图1 所示。通过检索PDF 卡片可知，模拟月壤一的主晶相为方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片号39-1425），次晶相为珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片号18-0276）。模拟月壤二的主晶相为珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片号18-0276），次晶相为硫铝酸钙（Yeelimite， syn Ca4Al6O12SO4，卡片号33-0256）。模拟月壤三的主晶相为珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片号18-0276），次晶相为方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片号39-1425）。模拟月壤四的主晶相为方石英（Cristobalite， syn SiO2，卡片号39-1425），次晶相为珍珠云母（Margarite-2M1 CaAl2（Si2Al2）O10（OH）2，卡片号18-0276）。结果表明，成分的变化会导致模拟月壤结晶能力、晶体结构以及晶体组成发生相应变化，进而影响玄武岩石的熔融行为[6-7]。因此，在月表进行玄武岩纤维纺制前须确定月壤具体成分。

图1 模拟月壤晶体结构

在玄武岩纤维成型的过程中，玄武岩熔体处于介稳态，冷却的熔体降至一定温度后会产生析晶现象（如图2 所示），析晶会影响玄武岩纤维的质量和均匀性，进而降低其力学性能，甚至使纤维断裂[8-9]。因此，为了得到高品质的玄武岩纤维，应尽量避免出现析晶现象。析晶上限温度（即冷却过程中最早能够出现析晶的温度）代表样品的析晶能力，决定了成型过程中的下限温度和温度窗口[10]。析晶上限温度和下限温度之间的温度区间反应了样品的析晶趋势，温度区间越小，越能有效抑制析晶，越有利于成型。

图2 玄武岩熔体析晶图

用温度梯度炉对4 个样品的析晶上限和下限温度进行测量和确定，结果见表2。

表2 梯温炉测试试样相关上、下限析晶温度

对比测试结果可知，析晶上限温度高低的顺序为模拟月壤四＞模拟月壤一＞模拟月壤三＞模拟月壤二。因此，模拟月壤二的析晶能力最弱，可以在更低的温度下拉丝成型。析晶温度区间大小的顺序为模拟模拟月壤四＞模拟月壤一＞模拟月壤三＞模拟月壤二。析晶温度区间越小，越有利纤维拉丝成型，因此同样是模拟月壤二最有利纤维拉丝成型。综上所述，模拟月壤二的析晶倾向和析晶区间均最小，矿石拉丝性能最好。

热膨胀系数直接反映了材料的热稳定性和机械稳定性，对其热处理过程具有重要的指导意义[11]。一般来说，结构紧密规整的晶体结构热膨胀系数较大，而无定型结构或者键强度高的结构的热膨胀系数较小[12]。在玄武岩软化温度点下的3 个温度范围内，对其线性膨胀系数进行测试。结果表明，线膨胀系数从大到小依次为模拟月壤三＞模拟月壤四＞模拟月壤二＞模拟月壤一，见表3。线膨胀系数越大，玄武岩熔体网络骨架越松散，热稳定性、化学稳定性和机械性能越差，熔制温度也越低。从热学、化学和机械稳定性来看，模拟月壤一和模拟月壤二最优。

表3 4 种玄武岩在膨胀软化点以下各温度范围的热膨胀系数

模拟月壤的成分对线膨胀系数有很大的影响，模拟月壤三的线膨胀系数最大，从其组成成分可以看出，与其他样品相比，模拟月壤三中SiO2含量最低，而碱金属氧化物Na2O、K2O 的含量最高，SiO2能够增强网络骨架，提高键强度，从而起到提高热稳定性、降低线膨胀系数的作用。在实际应用中，可以根据玄武岩纤维的不同使用性能要求来调节玄武岩的组成，兼顾线膨胀系数和熔化成型的温度。

不同化学组成的玄武岩矿石具有不同的黏度—温度曲线（如图3 所示），它们的黏度变化速率不同，即“料性”不同。黏度变化速率大的玄武岩熔体的“料性”短，黏度变化速率大的玄武岩熔体的“料性”长，即当黏度变化相同时，温差大的为“料性”长，具有更长的成型时间，一般人们会对物料黏度下限η1=103.0 Pa·s 与物料黏度上限η2=106.6 Pa·s时的物料温度差进行比较。由于开展的高温黏度试验温度高达1 260.8 ℃~1 518.1 ℃，导致黏度较低，为6.538 Pa·s~105.440 Pa·s，无法得到η2黏度点，因此采用拟合Arrhenius 公式（公式（1））和Vogel-Fulcher-Tamman 公式（公式（2））对lgη-T-1 的线性关系进行拟合，如图4 所示（见表4）。由图4 可知，VFT非线性拟合所得数据与Arrhenius 线性拟合所得数据更接近真实值。

图3 模拟月壤熔体黏度随温度变化曲线

图4 模拟月壤熔体的lgη-T-1 曲线

表4 模拟月壤熔体Arrhenius 公式和VFT 公式拟合相关系数

式中：η为熔体黏度；Aa为常数；Ba为常数，Ba=-Ea/R（Ea为活化能；R为气体常数）；AVFT、BVFT为与熔体组成相关的常数；TVFT为拟合参数；R2为拟合数据相关系数。

将η1=103.0 Pa·s 和η2=106.6 Pa·s 分别代入对应拟合得到的4 种玄武岩熔体VFT 公式，分别得到相应的温度点T1和T2，温差ΔT=T1-T2。ΔT越大，“料性”越长，具有更长的成型时间。由表5 可知，模拟月壤一熔体的ΔT更大，“料性”长，具有更长的成型时间，而模拟月壤二与模拟月壤四熔体的ΔT相对较低，“料性”短，具有较短的成型时间。该试验提供了模拟月壤的重要熔体纺丝工艺参数，例如拉丝成型点和发生转变点的黏度、温度，见表6。

表5 4 种玄武岩熔体料性温度特征值（VFT 法）

表6 重要工艺阶段的黏度—温度值（VFT 非线性拟合法）

3 结语

该文研究了模拟月球玄武岩重要成分——氧化铁和氧化钠含量对黏度、熔制温度和析晶温度等特性的影响规律，获得玄武岩黏度—温度关系和析晶温度区间等重要参数。研究表明，不同的月球玄武岩原料具有不同的“料性”，需要相应地调整纺丝参数，也可以通过调配月球玄武岩成分，获得可纺性好的纺丝流体，满足月球玄武岩纺丝的需求。该结果是月球就地取材开发玄武岩纤维的重要依据，可为未来月球基地建设提供重要参考。