矿物学控制月球风化层模拟物的熔化行为及高效快速固结过程

《Acta Astronautica》：Mineralogical Control of Melting Behavior and Energy-Efficient Rapid Consolidation of Lunar Regolith Simulants

　　

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  根据131个返回的月球样本数据集，设计了四种月球风化层模拟物。
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  月球风化层的矿物组成对液相形成和孔隙演化有显著影响。
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  高地型风化层具有更高的热稳定性，而月海型风化层的有效烧结范围较窄。
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  早期的熔化过程并不能保证材料的稳定致密化或更高的整体强度。
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  利用仅10.9–23.1 kWh·kg^-1的电能，通过超快高温烧结技术可以在约1–2分钟内固化月球风化层模拟物。

章节摘要

引言

建立长期月球研究站需要大量材料，用于修建道路、着陆平台、防护结构以及承重部件。将这些材料从地球运输过来将带来巨大的物流和经济负担，因此就地利用月球风化层成为可持续月球探索的重要策略[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。当前的风化层固化方法包括化学反应法、粘合剂辅助法等

主要矿物成分和成分聚类

为了说明天然月球风化层的复杂性，图1展示了真实CE-5样品CE5C0400YJFM00402H10GP的典型背散射扫描电子显微镜（SEM）图像。该样品包含聚集物、熔融玻璃和玄武岩碎屑，以及主要结晶相，如斜长石（Pl）、单斜辉石（Cpx）、橄榄石（Ol）和钛铁矿（Ilm）。这些特征表明，天然月球土壤是一种异质多相材料，而不仅仅是由简单成分组成的

致密化和孔隙率分析

如图6(a)所示，这四种模拟物在烧结温度升高时表现出明显不同的宏观反应。在1000–1100°C时，所有样品基本保持了原始颗粒形状，尽管已经出现了与成分相关的颜色变化。高地型样品BH-H在高达1300°C时仍保持较浅的颜色和扁平紧凑的外观，仅有轻微的表面粗糙和零星的凹坑。相比之下，混合型和月海型样品则颜色变深

结论

本文研究了四种月球风化层模拟物（BH-H、BH-MX-1、BH-MX-2和BH-M）的超快高温烧结（UHS）行为，以揭示矿物组成如何影响材料的致密化、相变和微观结构演化。主要结论如下：

1)

矿物组成显著影响快速固化机制。斜长石含量减少而辉石/钛铁矿含量增加（从高地型到月海型）会降低烧结开始的温度

CRediT作者贡献声明

刘佳媛：验证、研究、数据管理。邓玉桐：方法设计、研究、数据管理。周思琪：写作 - 审稿与编辑、指导、资金申请、概念构思。李峰：可视化处理、方法设计、资金申请、概念构思。王浩：指导、方法设计、数据管理。姜瑜：初稿写作、可视化处理、软件开发、方法设计、研究、数据管理、概念构思

作者声明与本文内容无关任何利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究中使用的CE-5月球样本（CE5C0400YJFM00402H10GP）由中国国家航天局提供。本工作得到了国家自然科学基金（编号：52578496、52308427）和中央高校基本科研业务费的支持。作者感谢北航大学分析测试中心的设施支持和科学技术协助。

姜瑜|李峰|周思琪|邓玉桐|刘佳媛|王浩