转自空间科学与试验学报
李 渊1,2，文世峰1,3，李晓波1,4，韩文彬1,2，周 燕1,2，周 诚1,2（1. 国家数字建造技术创新中心；2. 华中科技大学土木与水利工程学院；3. 华中科技大学材料科学与工程学院；4. 华中科技大学能源与动力工程学院）
本文引用格式
李渊，文世峰，李晓波，等. 太阳能聚光模具烧结模拟月壤试验研究[J]. 空间科学与试验学报，2024，1（3）：50-57.
LI Y, WEN S F, LI X B, et al. Experimental study on solar die sintering of lunar regolith simulant[J]. Journal of Space Science and Experiment,2024, 1(3): 50-57.
1969年7月20日，人类首次踏上月球，自此开启了探月新纪元。作为距离地球最近的天体，月球不但蕴藏着丰富的矿产和能源资源[1]，而且可作为前往火星乃至更遥远星系的中转站。建立月球基地对于支持未来载人登月以及深空探测任务意义重大。自20世纪80年代Lin[2] 提出使用混凝土建造月球基地以来，人们已经研究了多种建筑材料和成型工艺用于月球基地建造。然而，许多现有的固化月壤的方法，如水泥混凝土[3-5]、地质聚合物混凝土[6-8]、大分子改性月壤[9-11]、硫磺混凝土[12-15]以及地质铝热反应产物[16-18]等，都依赖于在月壤中掺入外加剂或水。在月球基地建设中，上述外加剂或水难以在月面获取。Duke[1]等估计，从地球运输物资到月球的成本约为每千克90,000美元，使得上述建造工艺在经济上可行性较小。基于此，Freitas和Gilbreath[19]提出了原位资源利用（In-Situ Resource Unilization，ISRU）的概念，旨在利用月球上的资源进行建造，减少对地球的依赖，降低成本。目前已提出多种原位利用率高的模拟月壤成型方法，包括热压烧结[20]、微波烧结[21-22]、选区烧结或熔融3D打印[23-26]等。然而，热压烧结对设备要求较高，同时需要在高温条件下进行，因此需要月面大量能源供应。微波烧结具有加热快、扩散速率高、烧结时间短等优点，但其在月面必须实现能量转换，需将太阳能等能量转换为高频微波形式。选区烧结或熔融3D打印月壤构件内应力大、缺陷多，导致成型构件强度较低，目前较难满足建造需求。基于上述模拟月壤成型工艺的不足，从成型设备的复杂度、能源消耗和成型构件质量出发，亟须提出一种设备简易、低能耗、成型构件质量高的月壤成型方法。本文提出了一种基于菲涅尔透镜聚光的太阳能模具烧结月壤的方法，利用太阳光作为能源，最大限度地实现原位能源的利用；采用模具预先冷压月壤可以有效控制构件的初始形状和强度，便于后续高强度烧结。为此，本文搭建了以HUST-1模拟月壤为原料的太阳能聚光模具烧结原理试验系统，采用COMSOL计算了太阳能聚光烧结过程的表面辐射和固体传热，并开展了在大气和真空环境下烧结的初步试验。
1.1 试验材料
本研究采用HUST-1模拟月壤为原料，如图1所示。该模拟月壤由吉林省玄武岩火山灰研制而成，成分主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，与Apollo-14、CAS-1、LRS成分较相近，见表1。试验采用200目（74 μm）的HUST-1模拟月壤，其粒径尺寸主要分布在1~10 μm，其中10%的颗粒粒径在1.15 μm以下，50%的颗粒粒径在6.35 μm以下，90%的颗粒粒径在16.70 μm以下。图1（c）是HUST-1模拟月壤微观形貌，可见模拟月壤颗粒形状各异，大小不一，有明显的棱角，这与模拟月壤制备研磨过程中玄武岩材料的脆性有关。
图1 HUST-1模拟月壤
从X射线衍射（XRD）图谱中可知，HUST-1模拟月壤主要矿物包括斜长石、辉石、磁铁矿、橄榄石等，与表1的HUST-1模拟月壤成分较符合。一般而言，月壤主要包括橄榄石、斜长石、辉石、钛铁矿、玻璃等，由此，HUST-1模拟月壤和真实月壤矿物组成较为接近，可以作为研究原料。本研究烧结采用的模具由石墨制成，因为石墨材料具有硬度大、强度高、不易热变形、导热性能好等优点，能够保证烧结过程中模拟月壤获得高效的热传导，其基本参数如表2所示。试验前，先在模具腔内部装填一定质量的模拟月壤粉末，然后手动压紧上压头，再使用单轴压力机对模具两端的压头施加1200 N的力并保持60 s，从而获得较高的初始压坯强度，以期后续提高烧结样品的质量，如图2（b）所示。初始压坯的强度为0.012 MPa，其微观形貌如图3所示，施加预压力使模拟月壤颗粒之间的孔隙缩小，连接更加紧密。
图2 太阳能聚光烧结模具实物图
图3 初始压坯SEM图
图4（a）为太阳能聚光模具烧结原理示意，该系统采用菲涅尔透镜实现太阳光聚焦，聚焦后的高能量光束透过真空罐窗口照射在石墨模具上，太阳能转化为热能从而加热月壤。图4（b）为试验系统实物，该系统由直径为1.1 m的菲涅尔透镜、镜架、真空罐、真空泵、热电偶测温系统、移动小车等组成。烧结过程中，与真空罐相连的真空泵持续运行，使罐内保持真空状态。石墨模具置于真空罐内，用以调节菲涅尔透镜与石墨模具间的距离，保持模具始终位于透镜的焦点位置。试验过程中随着太阳角度的变化调整菲涅尔透镜的角度，确保聚焦后的高能量光束垂直照射在模具上。此外，模具外壁设置小孔安装热电偶，实时监测石墨模具的温度。
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图4 太阳能聚光模具烧结原理与试验系统
利用COMSOL软件对太阳能模具烧结模拟月壤进行仿真分析，如图5所示，以期探索月面建造中太阳能烧结月壤的可行性。建立的仿真模型外部是316 L的腔体，直径为0.3 m，高度为0.2 m，厚度为0.02 m。石墨模具压头直径为0.02 m，长度为0.05 m，模具腔体长度为0.08 m，外径为0.045 m，内径为0.02 m。填充的HUST-1模拟月壤粉末冷压坯体直径为0.02 m，长度为0.03 m，腔内设置为真空。
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图5 COMSOL计算模型
采用辐射传热进行多物理场建模，316 L的腔体和石墨模具的表面辐射发射率计算方法如下。根据普朗克定律，黑体光谱辐射力Ebλ和波长λ、热力学温度T之间的函数关系为：
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式中，λ为波长，μm；T为热力学温度，K；C1为普朗克第一常数，C1=3.743×108 W·μm4/m2；C2为普朗克第二常数，C2=1.439×104 μm·K。
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式中， ελ为实际物体对波长为λ的电磁波的辐射发射率。根据SolidSpec-3700 紫外可见近红外分光光度计（UV-2）的测试范围200~2500 nm可知，316 L腔室和石墨模具的辐射发射率波长积分范围为200~2500 nm。模型中将外部辐射源的能量密度设置为菲涅尔透镜聚焦后的能量密度。菲涅尔透镜直径为1.1 m，焦点光斑大小为0.05 m，透射率为0.88。太阳辐照度和菲涅尔透镜聚焦光斑能量密度换算关系见表3。表3 太阳辐照度和菲涅尔透镜聚焦光斑能量密度换算关系![]()
COMSOL计算得到的数据曲线如图6所示。从图中可以看出，当太阳辐照度增加时，系统达到稳定温度状态所需的时间会缩短，该过程平均约1.5 h。在太阳辐照度从700 W/m2增加到1000 W/m2时，每增加100 W/m2的辐照度，系统的稳定温度平均上升约50℃。然而，随着太阳辐照度的进一步提高，系统的稳定温度增长速率逐渐放缓。
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图6 不同太阳辐照度下模拟月壤温度随时间变化
本研究的试验地点为湖北省武汉市华中科技大学西六楼附近，北纬30.51°，东经114.43°。试验于2023年10月15日至2023年11月2日期间进行，每次试验时间段约为上午10:00至下午15:00，期间监测到的大气温度为22~29℃，有效太阳辐照度约在700~1000 W/m2，根据图6可知，在该太阳辐照度范围内，模具内温度大致可达到890~1010℃。硅酸盐体系材料的烧结温度通常为其熔点的0.8~0.9，已知HUST-1模拟月壤的熔点为1250℃ [26]，因此，烧结固化该模拟月壤温度应在1000~1125℃，由此推断本次试验只能实现模拟月壤的部分固化。此外，调研结果表明月球表面的太阳辐照度范围大约在1321.5~1416 W/m2，平均值约为1368 W/m2 [27]，该辐照度对应的温度约为1130℃，高于模拟月壤固化温度。因此，在月球表面利用太阳能开展月壤烧结固化具有可行性。
3.1 模拟月壤烧结固化分析
图7（a）~（b）是真空环境下的烧结样品，图7（c）~（d）是大气环境下的烧结样品。从宏观上看，模拟月壤经高温烧结后，月壤颗粒紧密黏结在一起，形成了完整的样品形状，并具备了一定的机械强度。经抗压测试，4个样品的抗压强度分别为0.45 MPa、0.7 MPa、0.42 MPa、0.17 MPa。图7（b）的样品形状最为理想，边缘清晰分明，而图7（d）出现了外表粉末脱落现象，这是因为图7（d）在烧结过程的温度较低，月壤粉末固结程度低。由此可以得出，在真空环境下月壤烧结的外观及性能均优于大气烧结环境。
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图7 模拟月壤烧结样品实物图
进一步研究了不同气氛烧结过程中模具温度、太阳辐照度、PM2.5随时刻的变化关系，如图8所示。由图可知，模具温度随时刻的变化趋势与太阳辐照度的变化趋势基本一致。在4个样品烧结过程中，热电偶测得的模具在第1 h内升温速率最快。真空环境和大气环境中，模具的第1 h平均升温速率分别为400℃/h和450℃/h。导致这一差异的原因是真空烧结时，真空罐腔体顶部装有透光玻璃片，经分光光度计测试该玻璃片的透光率为92%，当太阳光通过玻璃片时，真空环境中模具接收的太阳能量相比大气环境较低。
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图8 太阳辐照度、模具温度、PM2.5随时间变化曲线
烧结过程温度受环境中的PM2.5的影响较大，随着PM2.5的增加，模具升温速率和最终达到的恒定温度降低，当PM2.5浓度大于50 μg/m3时，影响尤为显著。这是因为太阳光在大气中传播时，空气中的悬浮细颗粒会阻碍其光线传播，导致部分太阳光发生散射，从而降低了到达模具表面的有效能量。由图8（a）可知，在试验的前两小时，PM2.5浓度超过50 μg/m3，模具的升温缓慢，温度较低。由图8（b）可知，在整个试验过程中，PM2.5浓度均保持在50 μg/m3以下，模具整体升温速度较快，且稳定时的温度较高。根据图8（c）和图8（d），在试验的前3 h，PM2.5浓度超过50 μg/m3，此时模具的升温较为缓慢，且模具温度较低。从第3 h起，PM2.5浓度开始显著下降，同时太阳辐照度也开始减少，然而模具温度却出现了小幅上升，并最终高于前3 h的稳定温度。月球表面没有大气层的保护，会受到太阳辐射、太阳风和地球磁尾等离子体的作用，因此，月球被阳光照射的表面带正电。尘埃颗粒通过与光电子、太阳辐射的光子、太阳风中的电子和离子以及地球磁尾中的等离子体（当月球处于地球磁尾内时）相互作用而获得正电荷。带正电的尘埃颗粒与带正电的月球表面之间产生静电相互作用，进而导致尘埃颗粒的升空、运动以及尘埃等离子体的形成[28]。在月球上进行太阳能烧结时，太阳光的传播可能受到悬浮颗粒物的影响，因此需要进一步研究悬浮颗粒对烧结过程的影响机制。
3.2 模拟月壤烧结样品物相及微观分析
为了分析模拟月壤烧结后各矿物的变化，本文对4个样品进行XRD测试。通过HUST-1模拟月壤XRD图谱（见图9）发现，与图1（d）相比，钠长石等衍射峰有明显增强，这是由于烧结过程矿物结晶增强。图9中（b）衍射峰明显更强，这是因为图9（b）的烧结温度在4个样品中的最高，其结晶程度更高。
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图9 模拟月壤烧结样品XRD图
为了研究经过太阳能烧结后样品的微观形貌，本文对大气环境和真空环境的4个样品分别做了SEM分析（见图10）。从图中可以发现，经过太阳能高温烧结，月壤颗粒熔融连接在一起，但样品不完全致密，内部有较多孔隙。在4个样品中，图10（b）模拟月壤的烧结情况最好，其月壤颗粒之间形成了烧结颈，没有裸露的月壤颗粒。根据升温曲线图8（b）可知，图10（b）的模拟月壤在800℃以上时间超过2 h，保持了较好的烧结状态。相比之下，图10（d）中有明显裸露的模拟月壤颗粒及棱角（位置1、2），而且其内部孔隙较多（位置3、4）。根据图8（d）的升温曲线可知，图10（d）的模拟月壤在试验过程中平均温度低于700℃，温度较低导致烧结固化较难。根据烧结动力学可知，HUST-1模拟月壤烧结温度需达到1000~1125℃之间，在4个样品的试验过程中图10（b）最高温度接近900℃，样品开始固结，但孔隙率较多，致密化差。因此后续还需进一步优化装置，提升模具内烧结温度。
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图10 模拟月壤烧结样品SEM图
本研究面向未来月球基地原位建造需求，采用COMSOL软件计算了太阳能模具烧结过程中达到的温度，并开展了在大气环境与真空环境的初步烧结试验，得出如下主要结论。（1）模拟月壤真空烧结质量优于大气烧结质量，这得益于真空中散热速度稍慢，有助于模具内热量的保持。（2）地面上PM2.5浓度显著影响了太阳能模拟月壤烧结效果，这是因为空气中悬浮细颗粒导致太阳光发生散射，从而降低了到达模具表面的能量。（3）在太阳能聚光烧结过程中，烧结温度直接影响成型的质量，当温度达到800℃以上时，模拟月壤开始固态烧结成型。本文仅开展了初步研究，后续工作可以从以下方面展开。（1）研制智能化的烧结设备。如增加自动追踪太阳光、自动控温等功能，并改进设备的保温措施以提高其保温效果，实现更充分的烧结过程。（2）进一步探究烧结温度、保温时间、预压力、月壤粒径级配等因素对模拟月壤烧结致密化的影响规律及影响机制。
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