CN111925182A - 一种适用于挤出的模拟火壤混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于挤出的模拟火壤混凝土及其制备方法，所述模拟火壤混凝土包括模拟火壤、硅酸钙、羟丙基甲基纤维素和水；以模拟火壤的质量为100份计算，硅酸钙的质量份数为45‑46份，水的质量份数为57‑59份，羟丙基甲基纤维素0.4‑0.5份。将适用于挤出的火壤“混凝土”通过螺杆挤出装置上的进料口加入到螺杆挤出装置中，然后启动驱动电机，完成火壤“混凝土”的挤出成型。

Description

一种适用于挤出的模拟火壤混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种模拟火壤“混凝土”及其制备方法，主要用于航天、航空、建筑涂料等技术领域。
背景技术
火星是太阳系中环境与地球最为接近的行星，也是太阳系内最有可能存在生命的星球之一，其地表物质构成、气候周期性变化等许多方面与地球都非常相似。不同于月球等地外星体，火星拥有丰富的大气、水冰和矿物资源，具有极高的开发和利用前景。进入21世纪，随着空间技术的不断发展以及空间应用需求的扩大，火星探测已成为国际上深空探测的重点和热点，载人火星探测更是成为未来几十年各大航天强国空间技术的战略制高点。我国将在2020年执行首次火星探测任务，即“天问一号”。
火星表面宇宙射线辐射强烈、昼夜温差大。基于火壤原位利用的火星基础设施建设是未来实现无人以及载人火星基地建造的基础。长期载人探火任务及未来火星殖民不可能永远居住在狭小的、成本高昂的从地球运来的设施里。住所及基础设施建设主要指利用火星资源原位制备火星住所、道路、物资存储室、车库、航天器发射及降落场等。在火星上建立长期的生活、科研基地，越来越成为一个可以实现的计划。建立火星基地可以带来诸多好处，既可以开展空间观测等科学活动，又可以成为人类未来从事科学研究的前哨阵地，开采火星上存在的丰富的火壤资源，依靠火星作为平台为我国进行深空探索提供重要支持。在火星表面原位制备具有宇宙射线防护性能以及良好气密性的大型住所，可显著降低火星任务成本，对长期载人探火任务及火星殖民的实现具有重要意义。
火星表面地质介于地球上的玄武岩和安山岩之间，且火星火山多发的地质特点十分有利于矿物的富集。从元素构成上看，火星土壤及矿物富含铁、硅、镁、钛、镍、铝、硫、氯、钙等元素。从矿物品种构成上看，火星矿物种类极为丰富，主要包括：页硅酸盐矿物(例如高岭石、蒙脱石、云母、蛇纹石等)、长英矿物(例如石英、长石、熔料长石等)、碳酸盐矿物(例如六水方解石、文石、铁白云石等)、硫酸盐矿物(例如，黄钾铁矾等)、镁铁质矿物(例如，橄榄石、辉石、斜辉石，单斜辉石等)以及石膏、高氯酸盐及其他盐类矿物。模拟火壤原材料选取山岩、玄武岩、橄榄石、辉石等火成岩和火山附近常见的矿石组成，与实际火壤具有相似的化学成分和矿物组成和物理性能。火壤呈现出以下典型性质：(1)内摩擦角较大，由于缺少水力、风力的搬运、磨蚀作用，火壤的颗粒棱角一般都很明显，导致内摩擦角较大，密实火壤内摩擦角高达40°。(2)火壤级配复杂且不同着陆区域的火壤存在不确定性。
在火星上进行无人或有人的科学探测需要火星基地建设，进行火星基地建设所能够使用的原位资源基本上为火壤。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于挤出的火壤“混凝土”及其制备方法。
本发明解决技术的方案是：一种适用于挤出的模拟火壤混凝土，包括模拟火壤、硅酸钙、羟丙基甲基纤维素和水；以模拟火壤的质量为100份计算，硅酸钙的质量份数为45-46份，水的质量份数为57-59份，羟丙基甲基纤维素0.4-0.5份。
一种适用于挤出的模拟火壤混凝土制备方法，通过下述方式实现：
首先分别将100份模拟火壤和45-46份硅酸钙倒入容器中，加入20-22份水，进行物理混合和搅拌，得到模拟火壤“混凝土”；同时将羟丙基甲基纤维素0.4-0.5份倒入剩余37-39份水中，并搅拌均匀；
然后逐渐将羟丙基甲基纤维素溶液缓慢加入模拟火壤“混凝土”中，继续搅拌，直至制备出50-100Pa·s粘度、流动性较好的适合挤出成型的“混凝土”浆料；
将“混凝土”浆料从打印喷嘴挤出，并控制挤出的流量，实现模拟火壤混凝土连续可控的挤出成型。
优选的，挤出流量控制在100-150mm3/min。
一种模拟火壤混凝土挤出设备，包括驱动电机、联轴器、螺杆挤出装置和打印喷嘴；
驱动电机与联轴器连接，联轴器与螺杆挤出装置连接，打印喷嘴连接在螺杆挤出装置的挤出端；螺杆挤出装置上带有进料口；
驱动电机启动后带动联轴器转动，联轴器带动螺杆挤出装置中的螺杆转动，螺杆转动过程中实现对螺杆挤出装置中“混凝土”浆料的挤出，挤出物通过打印喷嘴进行打印成型。
优选的，所述的打印喷嘴包括喷头和外壳，喷头的材料为尼龙，外壳的材料为316不锈钢。
优选的，所述的进料口连接3D打印漏斗，通过所述漏斗实现模拟火壤混凝土混合物的即时加注。
优选的，所述的进料口通过抗高压管连接螺杆送料装置，通过所述的螺杆送料装置将混合浆料连续送入螺杆挤出装置。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)火壤“混凝土”浆料的实时、按需加注，通过连接一定尺寸的3D打印漏斗，实现小批量模拟火壤混合物的即时加注，并通过调节火壤“混凝土”浆料的粘度和流动性，防止浆料短时凝固造成螺杆挤出装置、打印喷嘴的堵塞和报废，更容易实现工艺参数的调控。
(2)通过采用一定长度的抗高压管实现连续、可控的大批量供料模式，能够实现最大运动行程为2m*2m*1m的模拟火壤混合式3D打印。通过在挤出装置上设置进料接口，通过螺纹连接抗高压管的出料端，搅拌好的模拟火壤浆料通过螺杆送料装置的进料口进入到抗高压管的出料口后进入打印喷嘴，通过抗高压管的进料口和出料口形成循环系统，实现混合后的模拟火壤“混凝土”的流动传输，通过驱动电机控制混合均匀的浆料进入到螺杆挤出装置、打印喷嘴，以实现2m*2m*1m大型结构样件制造。
(3)火壤混凝土混合式3D打印技术是未来火星后续月面基地建设的重要关键技术，模拟火壤混合式3D打印装置可实现连续可控的火壤“混凝土”的挤出成型。混合式3D打印头是火壤混合式打印装置的关键组件，用来实现火壤“混凝土”连续、可控地挤出。它是一个集驱动电机、联轴器、接口、螺杆挤出装置、打印喷嘴等零部件为一体的功能组件，实现火壤“混凝土”材料连续、可控地挤出成形。
(4)目前建筑材料用混凝土3D打印装置通常将搅拌好的浆料通过置于挤出头上方的金属进料漏斗进入挤出装置，而挤出头末端出料数量有限，需要多次通过金属进料漏斗加料，不能持续地连续供料。而大批量加料有两方面的局限性，一是容易造成原材料的浪费，二是在火壤“混凝土”混合工艺初始试验阶段，由于混合物的固化速度过快容易造成打印喷嘴的堵塞甚至报废。本发明通过羟丙基甲基纤维素溶液调节火壤“混凝土”浆料的粘度至50-100Pa·s，制备出流动性较好的适合挤出成型的“混凝土”浆料。同时控制挤出流量为100-150mm3/min，避免打印喷嘴的堵塞。
(5)解决火壤“混凝土”加料数量不合适或混合工艺试验阶段的螺杆挤出装置、打印喷嘴易堵塞的难题，并且打印漏斗和喷嘴通过3D打印成型，容易替换、成本较低，既能满足工艺试验时小批量火壤“混凝土”浆料的加注，也能满足最大行程为2m*2m*1m大型结构用大批量火壤“混凝土”浆料的加注。
(6)尤其是一种颗粒尺寸小、质量轻、比表面积大的模拟火壤的混合式3D打印，并能实现模拟火壤即时加注和连续加注，在螺杆送料装置供给火壤“混凝土”过程中，为了避免扬程损失而增加了推动力，从而造成管内具有一定的压力，为了防止管道爆裂，使用了抗高压管。通过设置进料接口，能够连接抗高压管的出料端，搅拌好的模拟火壤“混凝土”浆料通过螺杆送料装置的进料口进入到抗高压管的出料口后进入螺杆挤出装置、打印喷嘴，通过抗高压管的进料口和出料口形成“混凝土”浆料进出循环系统，实现混合后的火壤“混凝土”的流动传输，通过驱动电机控制混合均匀的浆料进入到打印喷嘴，以实现2m*2m*1m大型结构件的制造。并且该装置进料接口能连接一定尺寸的3D打印漏斗，能够实现小批量的模拟火壤浆料的直接加注，适用于待打印结构件起始试验阶段的工艺摸索试验。
(7)针对模拟火壤多组分、级配复杂和内摩擦角大等理化特性，通过与易于原位提取和制备的硅酸钙和水混合，制备出“混凝土”浆料，通过少量添加剂有效调节模拟火壤“混凝土”浆料的流动性和凝固效果，同时保证浆料具有一定润湿性，以实现力学性能达到或优于C30级别的模拟火壤建筑物或构筑物的快速挤出成型。
(8)基于火星原位资源利用的适用于挤出成型的“混凝土”浆料的制备，通过少量添加剂调节模拟火壤“混凝土”浆料的流动性和凝固效果，大大降低了从地面发射至火星上行资源消耗，适用于高真空、弱引力和大温度交变的火星极端环境，由于火星重力加速度仅为地球的38％左右，承载力要求降低，更加有利于微重力环境下多种结构形式的火星基础设施挤出成型。
附图说明
图1本发明的装置的结构示意图；
图2本发明的装置的内部结构示意图；
图3本发明的打印头连接进料漏斗示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种适用于挤出的模拟火壤混凝土，包括模拟火壤、硅酸钙、羟丙基甲基纤维素和水；以模拟火壤的质量为100份计算，硅酸钙的质量份数为45-46份，水的质量份数为57-59份，羟丙基甲基纤维素0.4-0.5份。模拟火壤可以采用现有国内外市面上的现有产品。
一种适用于挤出的火壤“混凝土”的制备方法，先分别将100份模拟火壤和45-46份硅酸钙倒入容器中，加入20-21份水，开启搅拌装置对物料进行物理混合，同时将羟丙基甲基纤维素0.4-0.5份倒入剩余水中，并用玻璃棒搅拌均匀，然后逐渐将羟丙基甲基纤维素溶液缓慢加入模拟火壤“混凝土”中，继续搅拌，直至制备出50-100Pa·s粘度、流动性较好的适合挤出成型的“混凝土”浆料。
将预处理后的“混凝土”浆料从打印喷嘴挤出，并控制挤出的流量为100-150mm3/min，，以实现模拟火壤混凝土连续可控的挤出成型。
该方法所使用到的挤出装置包括驱动电机、联轴器、螺杆挤出装置和打印喷嘴；打印喷嘴包括喷头和外壳，喷头的材料为尼龙，外壳的材料为316不锈钢；
驱动电机与联轴器连接，联轴器与螺杆挤出装置连接，打印喷嘴连接在螺杆挤出装置的挤出端；螺杆挤出装置上带有进料口；
驱动电机启动后带动联轴器转动，联轴器带动螺杆挤出装置中的螺杆转动，螺杆转动过程中实现对螺杆挤出装置中物料的混合挤出，挤出物通过打印喷嘴进行打印成型；
该方法的步骤为：将适用于挤出的火壤“混凝土”通过螺杆挤出装置上的进料口加入到螺杆挤出装置中，然后启动驱动电机，完成火壤“混凝土”的挤出成型。
实施例
通过在螺杆挤出装置上设置进料接口，能够连接抗高压管的出料端，实现最大行程为2m*2m*1m的大型结构件打印，并且螺杆挤出装置上可以连接一定尺寸的3D打印漏斗，实现小批量模拟火壤混合物的即时加注，防止大量浆料短时凝固造成螺杆挤出装置、打印喷嘴的堵塞甚至报废，更容易实现工艺参数的调控。
步骤1：利用造型软件进行打印喷嘴结构设计和切片。所述的切片是对设计结构进行分层处理。
步骤2：选取打印精度为0.1mm的3D打印材料(比如尼龙)作为打印喷嘴的材料，保证模拟火壤“混凝土”浆料的可控挤出。
步骤3：选取耐腐蚀性好的材料(比如316不锈钢)作为螺杆挤出装置材料，减少模拟火壤“混凝土”材料对螺杆挤出装置的腐蚀。
步骤4：在接口处连接进料漏斗，将模拟火壤等混合物倒入进料漏斗中，打开电机开关，混合浆料经过腔体进入打印喷嘴，可进行小批量打印。
步骤5：在接口(进料口)上连接抗高压管的一端，抗高压管的另一端连接到螺杆送料装置，模拟火壤浆料从螺杆送料装置挤出后，通过抗高压管输送到打印喷嘴。
步骤6：使用挤出命令，火壤“混凝土”浆料的流量控制在100-150mm3/min，模拟火壤浆料从喷头中挤出。通过驱动电机的转速控制喷嘴的流量，配合3D打印装置运动速度，进而实现模拟火壤“混凝土”连续、可控的挤出成型。
实施例
一种适用于挤出的模拟火壤“混凝土”，使用一定比例的模拟火壤和添加剂均匀混合后，制备出粘稠状的适合月面设施3D打印的混合材料体系。模拟火壤和添加剂组成的混合材料体系的重量比例为：模拟火壤的质量为100kg计算，硅酸钙的质量份数为45.5kg，水的质量份数为57.8kg，羟丙基甲基纤维素0.45kg。
一种适用于挤出的火壤“混凝土”的制备方法，该方法所使用到的装置包括驱动电机、联轴器、螺杆挤出装置和打印喷嘴，如图1-3所示，打印喷嘴的材料为尼龙；采用PA12材料制成的带内螺纹的3D打印喷嘴，精度达到0.1mm，喷嘴通过内螺纹连接到螺杆挤出装置末端，能够满足模拟火壤混合式3D打印成型和力学性能要求，并且模拟火壤和添加剂组成的混合材料流经喷嘴处较容易挤出和分离，长时间工作后容易拆解和更换。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种适用于挤出的模拟火壤混凝土，其特征在于：包括模拟火壤、硅酸钙、羟丙基甲基纤维素和水；以模拟火壤的质量为100份计算，硅酸钙的质量份数为45-46份，水的质量份数为57-59份，羟丙基甲基纤维素0.4-0.5份。
2.一种适用于挤出的模拟火壤混凝土制备方法，其特征在于通过下述方式实现：
首先分别将100份模拟火壤和45-46份硅酸钙倒入容器中，加入20-22份水，进行物理混合和搅拌，得到模拟火壤“混凝土”；同时将羟丙基甲基纤维素0.4-0.5份倒入剩余37-39份水中，并搅拌均匀；
然后逐渐将羟丙基甲基纤维素溶液缓慢加入模拟火壤“混凝土”中，继续搅拌，直至制备出50-100Pa·s粘度、流动性较好的适合挤出成型的“混凝土”浆料；
将“混凝土”浆料从打印喷嘴挤出，并控制挤出的流量，实现模拟火壤混凝土连续可控的挤出成型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：挤出流量控制在100-150mm3/min。
4.一种模拟火壤混凝土挤出设备，其特征在于：包括驱动电机、联轴器、螺杆挤出装置和打印喷嘴；
驱动电机与联轴器连接，联轴器与螺杆挤出装置连接，打印喷嘴连接在螺杆挤出装置的挤出端；螺杆挤出装置上带有进料口；
驱动电机启动后带动联轴器转动，联轴器带动螺杆挤出装置中的螺杆转动，螺杆转动过程中实现对螺杆挤出装置中“混凝土”浆料的挤出，挤出物通过打印喷嘴进行打印成型。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述的打印喷嘴包括喷头和外壳，喷头的材料为尼龙，外壳的材料为316不锈钢。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述的进料口连接3D打印漏斗，通过所述漏斗实现模拟火壤“混凝土”混合物的即时加注。
7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述的进料口通过抗高压管连接螺杆送料装置，通过所述的螺杆送料装置将混合浆料连续送入螺杆挤出装置。
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