Journal of Space Science and Experiment >

2024 , Vol. 1 >Issue 2: 49 - 54

DOI: https://doi.org/10.19963/j.cnki.2097-4302.2024.02.005

Lunar Exploration Column

Cold Sintering Process: A Promising Technique for Preparing Lunar Bricks

  • Zhen LIU ,
  • Jinping LI , * ,
  • Songhe MENG
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  • School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Online published: 2024-11-25

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Abstract

Sintering lunar regolith simulant to prepare lunar brick is an effective in-situ resource utilization method for lunar base construction. However, the traditional high temperature sintering has the disadvantage of high energy consumption, which is not conducive to the initial construction of the lunar surface. Cold Sintering Process (CSP) is a process of densification of ceramics at ultra-low temperature, which provides a solution strategy to overcome the above problems. Two types of lunar regolith simulant materials (mare and highland) were densified by CSP at 120 ℃, 100 MPa, 15% 10 mol/L NaOH and 90 min. The sample densities reached 2.33 g/cm3 and 2.31 g/cm3, respectively. In the simulated lunar surface environment, the strength retention rates of the sample are 94% and 95% respectively, the thermal conductivity and thermal expansion coefficient are lower than that of the earth concrete, which indicates that the sample has high reliability in the extreme environment of the lunar surface. In addition, the energy consumption of the CSP equipment is only 0.79 kW·h, which saves 90.7% of the energy compared to the traditional high-temperature sintering peocess. Therefore, the CSP provides a broad prospect for energy-saving manufacturing of high strength and durability of lunar surface building materials.

Key words： cold sintering process; lunar regolith; in situ resource utilisation; lunar base; lunar bricks

Cite this article

Zhen LIU , Jinping LI , Songhe MENG . Cold Sintering Process: A Promising Technique for Preparing Lunar Bricks[J]. Journal of Space Science and Experiment, 2024 , 1(2) : 49 -54 . DOI: 10.19963/j.cnki.2097-4302.2024.02.005

0 引 言

月球因其独特的空间位置，丰富的氦-3资源以及可以作为前往火星的“跳板”，成为未来空间技术验证和原位资源利用的首选目的地[1-4]。随着各国航天事业的发展，越来越多的探测器奔赴月球，标志着新一轮的探月热潮已经到来[5-8]。为了实现人类在月球表面的活动，需要建立长期的月球基地，为宇航员的生活、科学研究和资源开发提供安全保障。因此，建筑材料的制备工作已成为月面工程的重要组成部分。
从阿波罗时代开始，各国对月球基地原位建造开展了一系列的研究，技术方案不断更新完善。月壤烧结材料是将月壤加热到低于其熔点的温度，使其能够黏结起来形成固体，可用于道路铺设、墙体搭建、着陆/发射台构造等[9-10]。由于真实月壤有限，大部分烧结实验采用的是模拟月壤。Han等[11]对HUST-1模拟月壤进行了高温烧结试验，研究发现，真空环境下HUST-1的烧结温度范围为1000~1050 ℃，在25 kPa压力下，样品的密度为2.77 g/cm3，抗压强度为58.45 MPa。Taylor等[12]得到了NASA阿波罗17号的真实月壤，并进行了微波烧结实验。证明了微波辐射与月壤相互作用的独特性，即真实月壤中钛铁矿含量丰富且存在纳米相的铁单质，有利于烧结过程液相的产生。Fateri等[13]使用激光烧结JSC-1A模拟月壤，并成功打印出复杂组件，包括管接头、螺栓零部件。虽然高温烧结可以很容易地使模拟月壤材料致密，并使其具有特殊的性能，但它具有能耗高的缺点。对于早期月面建设，能源主要由太阳能发电提供。发电效率的限制，多种设备的运行，以及低温环境和漫长黑夜，使电能极其宝贵。因此，需要一种低能耗的烧结技术用于月面建筑材料的制备。
冷烧结（Cold Sintering Process ，CSP)工艺是一种在低温下即可实现陶瓷材料致密化的新型烧结技术，有望解决月面建造能耗高的问题[14-17]。该技术的关键是需要一种合适的液相激发颗粒溶解，并在适当的温度和压力下促进溶质沉淀，基于“溶解–沉淀”机制，实现传统高温烧结的固相传质过程。本文采用冷烧结工艺制备了模拟月壤材料，模拟月壤采用月海型和高地型两种。实验研究了样品的物相组成和微观结构，测试了样品在模拟月面环境下的力学性能与热学性能；使用相同的模拟月壤进行了传统高温烧结制备，并对两种工艺的能耗进行了比较。

1 实验

1.1 样品制备

实验所用月海型模拟月壤（CUG-1A）购买自中国地质大学，高地型模拟月壤（SC-080）购买自北京领宇天际科技有限公司。CUG-1A主要组成矿物为橄榄石、辉石、斜长石、磁铁矿和磷灰石。SC-080主要组成矿物为辉石、玄武岩玻璃、斜长石和钛铁矿。两种类型模拟月壤的化学组成如表1所示，从表中可以看出，高地型模拟月壤中Al2O3含量高于月海型模拟月壤。两种类型模拟月壤颗粒呈现不规则形状，以棱角状为主，见图1。其中，CUG-1A的粒度范围为10~135 μm，中值粒径为70 μm。SC-080的粒度范围为0.01~1000 μm，中值粒径为88 μm。氢氧化钠颗粒和去离子水用于配置冷烧结所需的液相溶液，即氢氧化钠溶液。
表 1 两种类型模拟月壤化学组成

Table 1 Chemical composition for two types of lunar regolith simulants

化学组成 / % 月海型CUG-1 高地型SC-080
SiO2 48.32 39.23
Al2O3 16.01 28.05
TiO2 2.38 0
Fe2O3 12.50 4.96
MnO 0.15 2.13
CaO 7.39 15.68
MgO 6.95 9.25
Na2O 0.19 1.47
K2O 2.12 0
P2O5 0.54 0
图 1 两种类型模拟月壤颗粒微观结构

Fig.1 The microstructure of particles for two types of lunar regolith simulants

首先，将0.9 g氢氧化钠（10 mol/L）溶液加入到6.0 g模拟月壤颗粒中，用研钵混合5 min，将混合物倒入直径为15 mm的模具中；随后，采用液压机对模具施加100 MPa的单轴压力，使用自制的加热套，将模具温度以5 ℃/min的速度提高到120 ℃，保温保压90 min后即可得到冷烧结模拟月壤样品。将月海型样品命名为CSP-M，高地型样品命名为CSP-H。而传统高温烧结是将模拟月壤放入坩埚中，振动压实，置于马弗炉中，以5 ℃/min的速度升高到1150 ℃，保温30 min，随炉冷却即可得到传统高温烧结模拟月壤样品。将传统高温烧结工艺制得的月海型样品命名为PLS-M，高地型样品命名为PLS-H。

1.2 样品表征

根据Archimedes排水法测试了样品的密度。使用Empyrean型X射线衍射仪分析样品的物相组成。通过SU8010型场发射扫描电子显微镜观测模拟月壤颗粒和样品断面微观结构。利用8002型万能试验机测试样品在室温下的压缩强度。为了模拟月面高低温环境，将样品置于液氮（−196 ℃）中15天，烘箱（130 ℃）中15天，循环3次，测试样品经冷热循环后的压缩强度。利用402 Expedis Supreme型膨胀仪测试了−150 ℃~130 ℃温度区间样品的热膨胀系数。使用LFA467型热导仪测试了−100 ℃~100 ℃温度区间样品的热导率。

2 结果与讨论

图2为样品的密度和室温压缩强度。如图2（a）所示，冷烧结制备的样品密度高于传统高温烧结样品。采用冷烧结工艺制备的月海型模拟月壤材料的密度为2.33 g/cm3，传统高温烧结得到的样品密度为1.98 g/cm3，密度提高了1.18倍。这与冷烧结的致密化机理相关，压力的应用对气孔的排出起到了促进作用。高地型模拟月壤的密度同样表现出相同的趋势，冷烧结工艺得到的样品密度比传统高温烧结提高了1.31倍。两种类型的模拟月壤，即使使用相同的烧结工艺，密度也略有不同，主要原因是高地型模拟月壤颗粒粒度范围更广，同时矿物组成的差异也会对密度产生影响。因此，在月面进行基地原位建造时，应考虑地理位置的影响，不同位置的月壤组成会产生不同的影响。
图 2 样品的密度和室温压缩强度

Fig.2 Density and room temperature compressive strength of the samples

图2（b）是所得的样品压缩强度测试结果。从图中可以看出，强度数值与密度相对应，密度越高，强度越大。CSP-M的压缩强度达到79 MPa，比PLS-M的强度值（31 MPa）提高了155%，同样，CSP-H的强度值比PLS-H提高了154%。地球建造所用红砖的强度为13.02 MPa [18]，考虑到月面的重力为地球的六分之一，因此，两种烧结工艺均能满足建筑需求。然而，考虑到月球微陨石的冲击等极端情况，强度越高则越有利于抵御陨石冲击[9]。
图3为不同类型模拟月壤颗粒和烧结后样品的物相组成。由于模拟月壤是由火山岩破损制成，矿物组分复杂。XRD结果显示两种类型的模拟月壤均含有斜长石、辉石和磁铁矿，其中高地型模拟月壤中含有较多的玻璃物质。观察CSP样品的物相组成，发现与颗粒基本一致，这表明烧结并没有产生新的相。然而，PLS样品经过高温加热会使颗粒发生融化等，发现部分衍射峰的位置和强度略有变化，这可能与致密化引起的晶体或非晶结构转变有关[19]。为了进一步观察颗粒间的结合方式，以及不同烧结方式产生的微观结构变换，我们对样品进行了SEM分析。
图 3 模拟月壤和烧结样品的物相组成

Fig.3 XRD of lunar regolith simulants and sintered samples

图4为样品压缩强度测试后断面的微观结构。从图4（a）、（c）、（e）、（g）可知，样品内部存在许多孔洞，冷烧结制备的样品中孔洞以微孔形式存在，孔洞直径在10 μm左右且数量较少。然而，传统高温烧结的样品中孔洞直径较大，特别是高地型模拟月壤，经高温烧结后留下来毫米级的孔洞，这是由于高温使低熔点的矿物优先挥发和熔融。孔洞的存在造成了其压缩强度的降低。从冷烧结样品断面可以发现，如图4（b）、（d）所示，颗粒表面覆盖了一层玻璃相，这是溶解–沉淀机制的结果。模拟月壤颗粒被氢氧化钠溶液均匀湿润，由于施加外部机械力，颗粒产生滑动、旋转和重新排列，导致初始压实状态。此外，液相进一步溶解了颗粒的尖锐边缘，从而实现了二次重排。在温度和压力的协同作用下，粒子在接触点处形成应力集中，接触点处的非晶态金属氧化物溶解到界面液相中。随着温度的升高引起的液相蒸发，留下了一个高浓度的液相。在浓度梯度和毛细力的驱动下，溶质通过液体扩散并在非应力颗粒表面沉淀。最终，由沉淀产生的玻璃相充满孔隙，连接相邻的颗粒，最终形成致密的块体。如图4（f）、（h）所示，模拟月壤高温烧结的致密化与陶瓷液相烧结机理相似。随着温度的升高，较低熔点颗粒形成液相，湿润较高熔点的颗粒。表面张力会引起颗粒的重排，在此阶段颗粒的密度迅速增加。随后，小的、未熔化的颗粒和尖锐的边缘溶解在液相中，并产生再沉淀，形成一个较粗大的颗粒结构。通常颗粒在接触点变平，空隙体积减小。最后，致密化速度减慢，但晶粒的生长仍可通过溶液沉淀、晶粒聚结和扩散进行。
图 4 样品的断面微观结构

Fig.4 SEM images of the fracture surface of the samples

月球表面呈现出复杂的温度环境。例如，月球赤道地区的最低温度和最高温度分别为−179 ℃和119 ℃，形成了298 ℃的大温度梯度。月球白昼时长为15天（地球），黑夜时长为15天（地球）。因此，有必要在极端环境下研究这些材料的性能。
图5为3次冷热循环后样品的压缩强度。通过模拟月面温度变化环境，研究样品的耐久性。结果表明，CSP-M、CSP-H、PLS-M和PLS-H的压缩强度分别为74 MPa、58 MPa、28 MPa和19 MPa，强度保持率分别为94%、95%、90%和79%。较高的强度保持率有利于工程应用的安全性和可靠性。高温烧结产生了多孔结构，导致了样品在冷热变化中孔洞周围产生裂纹，从而降低了强度。
图 5 3次冷热循环后样品的压缩强度

Fig.5 The compressive strength of the sample after 3 cycles of cool and heat temperature

图6为样品在不同温度下的热导率。从图中可知，PLS-H的热导率最低，在−100 ℃下为0.43 W/(m·K)，100 ℃下为0.62 W/(m·K)。而CSP-H的热导率最高，在−100 ℃下为1.09 W/(m·K)，100 ℃下为1.36 W/(m·K)。可以看出，烧结方式的不同导致了样品热导率性能的差异。由于热导率受气孔的影响，多孔的PLS-H表现出更低的热导率。地球混凝土的热导率在0.08~3.63 W/(m·K)内[20]，使用模拟月壤制备的热导率也在此范围。然而，当月面环境温度更高或更低时，需要特殊结构设计以满足月面隔热需求。
图 6 样品不同温度下的热导率

Fig.6 Thermal conductivity of samples at different temperature

图7为样品在不同温度下的热膨胀。热膨胀的演变规律与热导率相似，随着温度的升高，样品尺寸变化率越来越大。PLS-H由于多孔结构，表现出较小的变化量。在−150℃~130℃温度区间内，CSP-M、CSP-H、PLS-M和PLS-H的热膨胀系数分别为3.31×10−6~10.70×10−6/℃，5.17×10−6~7.10×10−6/℃，4.06×10−6~5.19×10−6/℃，1.49×10−6~3.67×10−6/℃。地球混凝土的热膨胀系数为12.30×10−6/℃[21]。采用两种烧结方式得到的不同型号的模拟月壤样品，其热膨胀系数均优于地球混凝土的热膨胀系数。较小的热膨胀系数可以使材料在大温差范围内保持稳定。
图 7 样品不同温度下的热膨胀

Fig.7 Thermal expansion of samples at different temperatures

对CSP和PLS设备的能耗进行定量分析，可以阐明CSP的实际应用价值。图8为两种烧结工艺的耗电量。CSP设备耗电量为0.79 kW·h，PLS耗电量为8.46 kW·h，节约了90.7%的电能。CSP的低温烧结特性可以节省更多的能源，这有利于能源稀缺的月球建造系统。
图 8 两种烧结工艺的耗电量

Fig.8 Energy consumption of two sintering processes

3 结论与展望

通过冷烧结工艺制备了模拟月壤块体材料。该工艺适用于月海型和高地型两种模拟月壤。样品的密度分别达到2.33 g/cm3和2.31 g/cm3，均高于传统高温烧结样品的密度。XRD分析结果表明，冷烧结后没有改变颗粒的物相组成。此外，断面微观结构表明，冷烧结致密化是颗粒表面溶解沉淀的结果，生成的玻璃相填充了孔隙。经冷热循环试验后，样品具有良好的耐久性，强度分别为74 MPa和58 MPa。此外，样品的导热率和热膨胀系数均低于地球建筑用混凝土。这表明该样品能够承受极端的月球环境，并保持较高的可靠性。冷烧结设备的能耗为0.79 kW·h，与传统高温烧结相比节约了90.7%电能。因此，冷烧结工艺技术为建造月球基地提供了一个低能耗的策略。
采用基于冷烧结作为月球原位资源利用技术可以很容易获得月球土壤。研究表明南极地区存在水冰[22]，月面大气中存在碱离子[23]，可以作为冷烧结所需的液相。月面的温度可以作为冷烧结的热源。而压力源需要设备提供。在今后的研究中，应考虑真空环境和低重力对月壤致密化的影响，尽可能地通过模拟月面环境进行月球砖建筑材料的制备，同时，对材料性能进行真实应用工况的测试。最后，建立相应的烧结模型和力学模型，预测地面环境无法实现的验证。

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