[发明专利]一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，将带磁土颗粒倒入巴氏芽孢杆菌培养液中，控制颗粒含量，细菌浓度，培养液温度，pH值，尿素浓度，CaCI₂浓度，反应时间，搅拌时间等因素保证颗粒表面的CaCO₃沉积物均匀分布。最后将固化完成的颗粒低温烘烤至脱水。前期研究的磁敏性模拟月壤虽然能还原月球1/6g重力场，但仍受制于磁场中磁颗粒吸引作用，影响了模拟月壤的力学性质。本发明提供的制备方法弱化了磁敏性模拟月壤在磁场中的互相吸引现象。该制备方法环保、成本低、效果好，可批量生产磁敏性模拟月壤用于科学和工程研究。

技术领域

本发明涉及模拟月壤制备技术领域，具体涉及一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法。

背景技术

月球作为距地最近的天然卫星，由于其丰富的能源和稀有金属等资源被公认为人类太空探测的第一站。根据嫦娥四号发回的资料显示，其着陆地区月壤层厚度达40米。在我国接下来月球探测和开发过程中，必然会遇到各种载荷与月壤相互作用的问题：飞行器软着陆，月球车轮壤相互作用、钻探取样、月球基地建设、月球采矿开挖等。目前人类对低重力环境中土体力学规律了解仍较少，关键原因就在于地球上针对土体进行低重力环境模拟难度极大。团队前期研制的磁敏性模拟月壤及磁重力试验系统虽然较好的还原了月球1/6g重力场条件，但仍受制于磁场中带磁颗粒表面磁力相互作用现象，一定程度上影响了模拟月壤的力学性质。因此如何均匀消除颗粒间的磁力成为能否在地球上精确还原月壤真实受力状态的关键。

团队经过近十年的研究，首先研制了磁重力试验系统，在此基础上进一步研制了CUMT系列模拟月壤。为使模拟月壤能够带有均匀磁性，使用了磁粉与火山灰粉末均匀混合后压实-烧结-破碎-筛分的研制工艺。按此方法研制的模拟月壤表面带有均匀密度的磁性物质，能够在磁场中直接接触，进而产生较大的磁力使颗粒相互吸引。这一部分磁场力在真实月壤所处的受力环境中是不存在的，为尽量减小磁力的影响。采用了生物固化技术对颗粒表面进行均匀碳酸钙沉淀。

磁力是一种受距离影响敏感的作用力，颗粒间的磁力大小与其距离的四次方成反比。为降低颗粒间的磁相互作用力，采用巴氏芽孢杆菌分解尿素产生碳酸钙对颗粒表面进行均匀镀层，通过对带磁颗粒均匀包裹不导磁材料的方式，增加磁性物质彼此接触距离，从而达到弱化颗粒间的磁相互作用力的效果。

目前还未见针对不规则散体材料的均匀镀层工艺。这主要受制于散体材料数量庞大，且三维表面复杂，无法实现统一均匀旋转。基于此背景，利用生物固化速率缓慢的优势，配合定时的机械搅拌，进而使得颗粒表面获取指定均匀厚度镀层的制样工艺成为改良磁敏性模拟月壤的优选方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，该方法制备的月壤中磁致粒间引力小、可用于模拟不同重力场环境中磁敏性模拟月壤力学特性，所得的模拟月壤可用于真实月球表面重力环境中土体特性研究。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，选取火山灰，磁粉，碳酸氢铵作原料，采用高温烧结和动力破碎方式获得带磁性的土颗粒；

步骤2，将步骤1制备的带磁性的土颗粒置于碱性溶液中浸泡，清洗至pH值为中性后，低温烘干备用；

步骤3，配制固化反应粘结液，溶质包括NH₄CI，NaHCO₃，尿素，CaCl₂∙2H₂O，酵母浸粉, 硫酸铵和氢氧化钠，溶剂为去离子水，尽量避免水中自带离子对粘结液中各离子浓度产生影响；

步骤4，将细菌溶液和粘结液混合，倒入生物固化设备中，并将步骤2中清洗后的带磁性的土颗粒倒入混合溶液中；

步骤5，启动生物固化设备的机械搅拌器控制单元，设置搅拌时间和间隔时间，循环该过程至生物固化过程结束；