开展深空探测活动是人类文明发展的重要途径[1]．建造月球基地对于充分利用月球资源和以月球为跳板开展进一步的深空探测具有重要意义[2]．月壤作为分布广泛且最容易获得的月球原位资源，几乎覆盖整个月球表面[3]，以月壤为原材料固化成型作为建筑材料可以减少月球基地建设对地球资源的依赖，降低地月运输成本[4]．地聚合物是通过碱性溶液激发富含硅铝质的矿物，引发聚合反应形成的一种具有三维网状结构的无机胶凝材料[5-8]．现有研究表明，中国“嫦娥五号”、美国“阿波罗”及苏联“月球号”任务所采集的月壤中，硅元素和铝元素丰度较高，以氧化物表示的SiO2和Al2O3在月壤中的质量分数超过50%[9-10]．因此，有望就地取材利用月壤合成地聚合物用作月球基地建设材料．月面的极端环境给建筑材料带来了更严格的要求．太空中微陨石数量繁多，对月表的冲击平均速度可达20 km/s，这也使月面建筑材料的抗冲击性能成为研究者的关注重点之一．Toutanji等[11]开展了硫磺混凝土的抗超高速冲击试验．结果表明：被直径1 mm的铝弹以5.85 km/s的速度击中后，硫磺混凝土试件表面形成了平均直径12.8 mm、深度3.1 mm的锥形弹坑，同时在距弹坑中心约8~12 mm处出现了圆齿状裂纹．当前研究发现地聚合物等无机胶凝材料存在脆性高、韧性低的问题[12-13]，不利于月壤地聚合物抵抗月表的微陨石冲击．碳纳米纤维(carbon nanofiber，CNF)是一种直径为纳米级的碳纤维，具备质量轻、强度高、比表面积大等特点，被视为有效的无机胶凝材料增韧材料．Akono等[14]进行了CNF增强偏高岭土基地聚合物断裂响应的研究，发现当CNF质量分数为0.5%时，地聚合物压痕模量、压痕硬度分别提升了21%和25%，断裂能在0.1%质量分数时增幅达83%．Yan等[15]用添加过氧化氢的方法合成了一种CNF增强偏高岭土轻质地聚合物泡沫材料，CNF有效降低了材料的孔隙率，使抗压强度从0.91 MPa增加至1.8 MPa．Zhu等[16]认为CNF能够促进高Ca含量地聚合物的力学性能增长，而在低Ca体系中促进作用不明显．综合现有研究可知：在无机胶凝材料体系中添加CNF就能够显著改善其力学性能、断裂性能和耐久性[17-18]，但是，当增强基体的种类不同时，CNF的增强效果差异较大，对模拟月壤地聚合物抗冲击性能的提升也亟待验证．此外，现有研究表明CNF由于外形尺寸小，在范德华力作用下纤维之间容易相互缠绕形成团聚体，降低CNF对胶凝材料的加强增韧效果．因此须利用物理或化学的方法使CNF均匀分散．物理分散法包括机械搅拌、球磨分散和超声分散法[19]．机械搅拌、球磨分散是借助撞击力等外力使CNF解聚．超声分散法是利用超声波在溶液中的空化效应来实现CNF的分散，分散效果与溶液浓度、分散时长、作用能量等因素相关[20]．化学分散法又分为基于酸溶液氧化的共价键化学修饰法[21]和基于表面活性剂吸附的非共价键化学修饰法[22]．本研究聚焦月表微陨石的极端环境条件，以CNF增强模拟月壤地聚合物为研究对象，通过落锤冲击试验和有限元仿真的方法研究轻质高强的CNF对地聚合物材料抗冲击性能的影响，旨在实现低掺量下对月壤地聚合物抗冲击性能的提升．1 试验材料与方法1.1　试验材料1.1.1　BH-1模拟月壤本研究使用的BH-1模拟月壤是以吉林省辉南县火山群的火山渣为原料，经过烘干、筛分、球磨后制备得到．火山渣原料为多孔的黑灰色颗粒，BH-1模拟月壤为褐色的细密粉末，二者外观如图1所示．在化学成分、矿物组成、微观形貌方面均已被证实与美国Apollo 16采样返回的真实月壤高度相似[23]．10.13245/j.hust.240654.F001图1火山渣原料与BH-1模拟月壤外观1.1.2　碱激发剂溶液碱激发剂选用分析纯氢氧化钠(NaOH)配置成水溶液．为避免杂质离子的影响，试验中所有的碱激发剂溶液均由蒸馏水配制而成．1.1.3　碳纳米纤维及分散本研究使用的CNF购自于南京先丰纳米材料科技有限公司，通过化学气相沉积法生产制备．CNF纯度大于95%，长度为1~15 μm，直径为50~200 nm，堆积密度为0.043 1 g/cm3，真密度为2.1 g/cm3，比表面积大于18 m2/g．CNF具有小尺寸、大长细比及高比表面积的特点，受范德华力的作用影响显著，容易缠绕在一起，以团聚体形式存在．团聚的CNF在材料中不仅不能发挥增强作用，反而容易造成缺陷，使性能降低．因此，实现CNF的均匀分散是制备CNF增强地聚合物的关键．本研究采用超声和分散两种方法实现CNF在模拟月壤地聚合物中的分散．超声是通过超声波和表面活性物质将CNF均匀分散到碱激发剂液体中的方法．表面活性物质在CNF表面的吸附能够将憎水性的CNF转变为亲水性的，从而使其在水溶液中得到有效分散．选用上海臣启化工科技有限公司的西卡540P型醚类改性聚羧酸(polycarboxylate superplasticizer，PC)作为表面活性剂．制备CNF分散液的详细步骤如图2所示，包括：a．用电子天平称量表面活性剂和CNF质量比为6∶1，用量筒测量蒸馏水备用，CNF与蒸馏水的比例为1∶500；b．将表面活性剂溶解到蒸馏水中，搅拌3 min；c．加入CNF，继续搅拌2 min；d．将混合液在超声波破碎机(Sonics and Materials Vibra-Cell VCX800，美国)中分散30 min，振幅设定为80%，运行15 s，暂停15 s，温度上限60 ℃，以防止温度过高导致的颗粒团聚或表面活性剂的絮凝，依据以上步骤得到分散均匀的CNF水溶液．10.13245/j.hust.240654.F002图2制备CNF分散液流程球磨分散方法是利用球磨机的转动，使筒体中不同大小和级配的研磨体随之运动，对加入其中的CNF与BH-1模拟月壤原料进行强烈的撞击、研磨，使其经过压延、碾碎等作用后成为尺寸更细小的粉末并均匀混合．使用SM-500型试验磨来完成CNF与BH-1模拟月壤原料的球磨．球磨分散流程如图3所示，先将CNF和BH-1模拟月壤按0.3%质量分数的比例称量，然后装入试验磨中进行球磨60 min，得到CNF与BH-1模拟月壤混合体粉末．10.13245/j.hust.240654.F003图3球磨分散流程图1.2　碳纳米纤维增强模拟月壤地聚合物的制备共设置3个试验组研究不同CNF掺量和分散方式对BH-1模拟月壤地聚合物抗冲击性能的影响．文献[24]以力学性能为指标确定了以超声分散法和球磨法在模拟月壤地聚合物体系中添加CNF的最佳质量分数分别为0.1%和0.3%．本研究在此基础上，继续研究CNF增强模拟月壤地聚合物的抗冲击性能，实验设计如表1所示．控制所有实验组中水与模拟月壤的质量比均为0.3，NaOH与模拟月壤的质量比均为0.9．F10为将CNF制成超声分散液加入地聚合物的试验组．先将超声分散的CNF水溶液与BH-1模拟月壤粉末混合，在DB-10型砂浆搅拌机搅拌120 s后再加入NaOH溶液，以(140±5) r/min的速度搅拌120 s，再以(285±10) r/min的速度搅拌120 s，得到地聚合物浆体；F0为不添加CNF的对照组，将NaOH溶液与BH-1模拟月壤混合后，按上述相同的步骤搅拌；BF3为将CNF与模拟月壤共同球磨分散的试验组，将CNF与BH-1模拟月壤混合体粉末与NaOH溶液混合，按上述相同的步骤搅拌．将地聚合物浆料倒入直径100 mm，厚度50 mm的圆柱形硅胶模具中，在振动台上振动2 min以充分消除气泡，用保鲜膜包裹好置于60 ℃的烘箱中养护8 h后脱模，继续在温度60 ℃、相对湿度80%的恒温恒湿养护箱中养护7 d．10.13245/j.hust.240654.T001表1实验设计试验组CNF质量分数/%分散方式F00.0—F100.1超声分散BF30.3球磨分散1.3　试验方法1.3.1　落锤冲击试验将试件依照美国混凝土协会ACI544委员会推荐的方法进行落锤冲击试验．试验仪器为美国Instron Ceast 9350落地式落锤试验机，如图4所示．冲击系统包括落锤支架及落锤，质量共计9.145 kg，落锤直径12.7 mm．分别以6，8，10 J的能量对F0，F10，BF3进行冲击，获取试验的荷载-位移曲线．10.13245/j.hust.240654.F004图4落锤冲击试验机1.3.2　地聚合物材料参数测试通过试验测定有限元建模所需的模拟月壤地聚合物材料参数，包括弹性模量、泊松比、应力-应变曲线、抗压强度和抗拉强度．参照1.2节制备40 mm×40 mm×160 mm尺寸的F0，F10，BF3组试件，养护7 d后，在试件两个侧面沿长度方向和垂直于长度方向粘贴栅长×栅宽为5 mm×2.8 mm的应变片，分别用于测量纵向和横向应变．纵向应变用于绘制应力-应变曲线，曲线弹性段斜率为弹性模量，塑性段作为材料塑性属性进行输入；横向应变用于计算泊松比．应变测量由江苏东华测试技术股份有限公司的DH3823应变测试仪完成，位移加载速率0.5 mm/min，应变片粘贴及加载、采集装置如图5所示．抗拉强度测试参考GB/T 50081—2019规范[25]，制备100 mm×100 mm×100 mm的F0，F10，BF3组立方体试件，养护7 d后在美斯特工业系统(中国)有限公司的YAW4206微机控制电液伺服压力试验机上进行劈裂抗拉强度试验每组测试3个试件，加载速率0.03 MPa/s，加载过程如图6所示．10.13245/j.hust.240654.F005图5试件应变片粘贴、加载及采集装置10.13245/j.hust.240654.F006图6劈裂抗拉试验1.3.3　有限元数值模拟利用Abaqus有限元软件建立模型，模型主要分为落锤和地聚合物试件两部分．落锤简化为直径12.7 mm的半球形钢材料刚体，质量赋值9.145 kg；CNF模拟月壤地聚合物的材料属性以1.3.2节的测试结果进行设置，形状为直径100 mm、高度50 mm的圆柱体．为提高计算效率，地聚合物试件网格划分如下：沿圆周网格尺寸为7 mm，在圆柱截面由圆周到圆心采用从7 mm至1 mm的渐变网格划分处理，实现外围较稀疏、中间密集的效果，高度方向以3 mm为单位进行网格划分，落锤网格尺寸为2 mm，单元类型均为C3D8R，划分结果如图7所示．约束条件设置为地聚合物试件底面固定，落锤与地聚合物之间采用通用接触；荷载通过施加速度实现，对落锤分别施加1.15，1.32，1.48 m/s的速度，对应6，8，10 J的冲击能量．10.13245/j.hust.240654.F007图7落锤冲击试验模型网格划分通过单元删除法模拟材料损伤，通过Abaqus的vusdfld子程序编程实现准则的嵌入，将抗压和抗拉强度作为判断依据，即模型中单元应力若达到所设置的抗压强度或者抗拉强度的极限值，则程序自动删除相应的单元和节点．1.3.4　月表微陨石高速冲击仿真通过NASA提出的Technical Memorandum-4527月表微陨石撞击预测模型可知，随着微陨石直径的增大，对应体通量逐渐减少，这就意味着，撞击事件主要由小尺寸微陨石造成．直径1×10-3 mm的微陨石体通量每年每平米约达1 088.42次，而直径7 000 mm或更大的微陨石每年每平米仅有1.61×10-18次，直径10 mm以内的微陨石每年每平米撞击次数占总陨石撞击次数的比例超过99%[26]．因此，选取直径10 mm的微陨石为冲击体，对300 mm厚的地聚合物板以不同速度进行冲击，通过CNF增强模拟月壤地聚合物板的损伤范围、深度及抗冲击极限能量指标评价其抗冲击性能．为简化仿真条件以提高仿真效率，对冲击模型作如下假设．a．将CNF与模拟月壤地聚合物视为具有均质性的整体；不同试验组通过材料参数的改变进行区分，不单独考虑CNF和地聚合物的材料特性；b．将微陨石视为刚体，不考虑其在冲击过程中的变形和破碎情况；c．微陨石尺寸相对地聚合物板截面尺寸无限小，冲击方向与板面垂直且冲击点位于板截面范围内；d．冲击破坏形态以贯穿破坏为主，不考虑随机开裂情况．由于冲击速度的变化大，考虑到模型边界的影响，将有限元模型几何尺寸增大，建立长、宽、厚度均为300 mm的CNF增强模拟月壤地聚合物立方体板；微陨石模型采用半球形刚体单元，直径10 mm，密度取为3 g/cm3．材料及损伤相关参数依据落锤冲击试验和地聚合物材料参数测试结果确定，地聚合物板的网格划分采用从四周到中心渐变加密的形式，网格从10 mm至1 mm渐变，微陨石模型网格尺寸依然设置为2 mm，划分结果见图8．单元尺寸的选择基于平衡准确性和计算效率，开展了单元尺寸敏感性研究，测试了不同的网格分辨率对输出结果的影响，选择的单元尺寸在保持计算结果收敛的同时也能够满足计算效率的需求．10.13245/j.hust.240654.F008图8微陨石高速冲击模型网格划分数值模拟速度加载方案如表2所示，其中：编号1~3主要通过施加10，15，20 km/s的冲击速度，对比25，56，100 kJ的冲击能量下模拟月壤地聚合物的损伤情况；编号3~5用于研究20 km/s冲击速度下CNF的加入对模拟月壤地聚合物抗冲击性能的影响．10.13245/j.hust.240654.T002表2微陨石高速冲击模拟方案试验组冲击速度/(km∙s-1)冲击能量/kJF01025155620100F1020100BF3201002 结果与讨论2.1　CNF增强地聚合物材料参数试验得到的材料参数如表3所示，选取的典型应力-应变曲线如图9所示．10.13245/j.hust.240654.T003表3CNF增强模拟月壤地聚合物参数表试验组弹性模量/GPa泊松比抗压强度/MPa抗拉强度/MPaF08.30.2023.21.2F109.70.2025.91.3BF312.30.2127.31.510.13245/j.hust.240654.F009图9应力-应变曲线2.2　试验与模拟结果对比将1.3.3节中建立的有限元模型中的模拟月壤地聚合物材料参数依照表3设置后，进行仿真得到的冲击试验荷载-位移曲线与试验所得曲线对比结果如图10所示．试验结果显示，F0，F10，BF3的峰值荷载均随着冲击能量的增加而增加，同时CNF的加入也使峰值荷载呈现增加趋势．6 J能量时F0，F10，BF3的峰值荷载分别为6.7，6.8，7.3 kN；8 J能量时峰值荷载分别为8.0，8.5，8.9 kN；10 J能量时峰值荷载分别为10.5，10.9，11.7 kN．对比9组数值模拟所得荷载-位移曲线、峰值荷载与试验结果，发现荷载-位移曲线的形状与试验基本相同，模拟曲线存在较多波动主要是因为模拟过程中单元的删除使落锤与试件的接触发生微小变化；同时，数值模拟曲线的峰值荷载与试验结果差异均在10%以内，具有较好的模拟效果．10.13245/j.hust.240654.F010图10冲击试验荷载-位移曲线与数值模拟结果对比冲击试验后试件受损形态与数值模拟结果对比如图11所示．数值模拟中试件模型受冲击后上表面中心处出现的单元删除凹陷形状与试验中的试件损伤形态相似，也印证了仿真模型的有效性．10.13245/j.hust.240654.F011图11冲击试验后试件受损形态与数值模拟结果对比(色标单位：cm)通过荷载-位移曲线及受损形态对比可知，数值模拟所选用的单元划分方法、材料参数、单元失效准则等可以较为准确地模拟试件状态及在试验中的抗冲击表现，基于此，将开展进一步的高速冲击模拟研究．2.3　CNF增强地聚合物抗冲击仿真结果2.3.1　不同冲击速度下地聚合物板的损伤情况微陨石以10，15，20 km/s的速度冲击F0地聚合物板后，损伤状态如图12所示，为更清晰显示删除单元情况，将模型网格隐藏．可以看出：地聚合物板在受到冲击作用后，形成了不规则的锥形陨石坑，且可以观察到少量细长裂缝状破坏形态，这与微陨石在冲击过程中地聚合物板压缩和拉伸应力的传递和扩散有关[27]．如图13所示，当冲击速度为15km/s时，不同时刻地聚合物板内部应力云图表明：微陨石在冲击过程中对地聚合物板接触点产生较大应力的同时，也会在接触点周围及冲击路径后方的陨石坑内表面产生应力扩散．在开始阶段，微陨石冲击力强，扩散至周围的应力大，产生较多的单元删除．但随着微陨石减速直至停止，扩散的应力逐渐减小，若小于地聚合物材料强度，则不会再造成单元删除，因此形成损伤范围逐渐收窄的锥形陨石坑．10.13245/j.hust.240654.F012图12不同速度微陨石冲击作用后F0板损伤情况10.13245/j.hust.240654.F013图13冲击速度为15 km/s时不同冲击作用时刻地聚合物板内的应力分布云图(色标单位：MPa)同时也可以发现：地聚合物板的损伤范围及深度受冲击速度影响显著，随着冲击速度的增加损伤范围变大，损伤深度增加．结合表4地聚合物板的损伤情况可知，板厚度固定为300 mm，当冲击速度为10 km/s速度时，板表面陨石坑最大直径为108 mm，损伤深度为51 mm；当冲击速度为15 km/s时，板表面陨石坑最大直径达到119 mm，损伤深度为121 mm；当冲击速度为20 km/s时，损伤范围和深度最大，分别达到136和250 mm．对比可知，相较于损伤范围，损伤深度受冲击速度影响更为明显．10.13245/j.hust.240654.T004表4不同速度微陨石冲击作用后地聚合物板损伤情况试验组冲击速度/(km∙s-1)损伤范围/mm损伤深度/mmF01010851F015119121F020136250F1020133210BF3201211352.3.2　CNF对地聚合物板抗冲击性能的影响F10和BF3模拟月壤地聚合物板在20 km/s微陨石冲击作用后的损伤形态如图14所示，与F0相同，依然形成了锥形陨石坑．对比表4中F0，F10，BF3地聚合物板的损伤范围及深度情况，F10板表面陨石坑最大直径与F0基本相同，但损伤深度减少了16%；BF3损伤范围及深度分别减少11%和46%，损伤深度约为板厚的一半．结果表明：CNF的掺入在提高地聚合物材料抗压强度和抗拉强度的同时，还增强了材料韧性，使得地聚合物可以通过更小的变形和损伤吸收更多冲击能量，对控制损伤范围和损伤深度产生积极作用．10.13245/j.hust.240654.F014图1420 km/s微陨石冲击作用后F10和BF3板损伤情况通过以上仿真可知，在20 km/s冲击速度及100 kJ冲击能量下，300 mm厚的F0，F10，BF3地聚合物板均未发生贯穿破坏．为进一步分析其对微陨石冲击的抵抗能力，保持其他条件不变，修改微陨石冲击速度，通过多次模拟获取300 mm厚地聚合物板的抗冲击极限能量，结果如表5所示．F0，F10，BF3的抗冲击极限速度分别为22.0，24.2，26.7 km/s，对应能量为121，146，178 kJ．F10与BF3的抗冲击极限能量相较于F0分别提升约21%和47%，结合前文分析，可以认为CNF的掺入有效提升模拟月壤地聚合物板抗冲击性能，当承受同等条件冲击作用且不发生贯穿破坏时，CNF降低了对地聚合物板的厚度要求，从而达到节约材料、节约成本的效果．10.13245/j.hust.240654.T005表5地聚合物板抗冲击极限能量值试验组厚度/mm冲击速度/(km∙s-1)冲击能量/kJF030022.0121F1030024.2146BF330026.71783 结语将CNF均匀分散到BH-1模拟月壤地聚合物体系中能够显著提升材料的抗冲击能力．在相同冲击条件下，引入CNF的BH-1模拟月壤地聚合物材料能够通过较小的尺寸实现抵抗冲击的效果，在月面原位建造时有望减小防护结构厚度，达到节约月壤及碱激发剂使用量的目的．因此，碳纳米纤维作为纳米级的高性能碳纤维，有望提升地聚合物在月表微流星和陨石撞击环境下的服役性能．