用于月球原位建造的易脱模成型模具及真空烧结工艺

本发明涉及月壤原位资源利用和原位建造，特别是一种用于月球原位建造的易脱模成型模具及真空烧结工艺。

背景技术：

1、随着深空探测与月球基地建设技术的不断发展，利用月球原位资源（in-situresource utilization，简写为isru）开展月面基础设施建造已成为未来月球长期驻留和月球基地建设的重要技术路线。月壤是月球表面分布最为广泛的原位资源之一，利用月壤直接制备具有一定承载能力的建筑构件，可以减少从地球运输建筑材料的需求，降低月球基地建设过程中的运输成本，为月面道路、居住舱体及防护结构等基础设施的建设提供材料基础。

2、目前，月壤及月壤模拟物的成型方法主要包括烧结成型、熔融成型、增材制造以及胶结固化等。其中，烧结技术能够在不大量引入外源胶凝材料的情况下，通过高温作用促进月壤颗粒之间形成烧结颈并逐渐致密化，从而获得具有一定强度和整体性的月壤基构件。真空烧结具有工艺相对简单、适用于批量制备以及能够避免高温条件下部分材料与空气发生反应等特点，可用于月壤基建筑构件的烧结制备。

3、为满足月球基地快速建造、模块化装配以及减少额外连接件使用的需求，可在月壤基构件表面设置相互配合的凸榫和凹槽，使多个独立构件通过榫卯结构进行拼接。对于弧形月壤基构件，多个构件沿周向依次拼接可以形成环形结构，多个环形结构进一步沿轴向连接，可以形成圆筒状或隧道状结构，从而为月球基地舱体及防护结构的模块化建造提供一种可行的结构形式。

4、然而，具有复杂榫卯结构的月壤基构件通常包含凸起、凹槽以及不同结构之间形成的尖锐棱角和几何突变区域。在粉末压制过程中，上述区域容易产生局部应力集中和密度分布不均，使成型后的生坯在尖角及薄弱部位出现缺损，影响构件的成型质量和结构完整性。此外，月壤基烧结材料通常具有较明显的脆性特征，构件中的尖锐棱角及几何突变部位在受力过程中容易产生局部应力集中，不利于榫卯构件在运输、装配及服役过程中的完整性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种用于月球原位建造的易脱模成型模具，使月壤或月壤模拟物粉末能够直接预压形成具有多方向榫卯结构的异形构件提高复杂月壤基构件的整体成型能力。

2、本发明的技术方案是：一种用于月球原位建造的易脱模成型模具，其中，包括：

3、外部套筒，其中心设有上小下大的中心孔，内模具可滑动地设置在该中心孔内；

4、内模具，包括四个沿圆周方向排列设置的四个支承基体，四个支承基体拼接后的外表面与外部套筒的中心孔贴合，四个支承基体拼接后的内表面形成成型腔体，成型腔体的顶部设有上压头，成型腔体的底部设有下压头；

5、上压头和下压头的横截面形状均为扇形，上压头和下压头与四个支承基体之间通过圆弧形的榫卯连接件连接。

6、本发明中，内模具的外表面形状为与外部套筒的内表面贴合的圆台形；

7、内模具包括沿圆周方向设置的第一支承基体、第二支承基体、第三支承基体和第四支承基体。

8、第一支承基体的外表面为与外部套筒的内表面贴合的弧形面；

9、第一支承基体的内侧面为沿竖直方向延伸的竖向平面，该竖向平面呈上小下大的梯形平面，且内侧面上间隔设有数个沿模具的轴向延伸的第一圆弧形凸起；

10、第一圆弧形凸起的外侧面与第一支承基体的内侧面固定连接，第一圆弧形凸起的内侧面为向成型腔室方向凸起的第一圆弧面。

11、第二支承基体与第一支承基体之间呈相对设置；

12、第二支承基体的外表面为与外部套筒的内表面贴合的弧形面；

13、第二支承基体的内侧面为沿竖直方向延伸的竖向平面，该竖向平面呈上小下大的梯形平面，且其内侧面上间隔设有数个沿模具的轴向延伸的第一圆弧形凹槽；

14、第二支承基体的第一圆弧形凹槽与第一支承基体上的第一圆弧形凸起之间呈对应设置。

15、第三支承基体的外表面为与外部套筒的内表面贴合的弧形面；

16、第三支承基体的内表面为向远离成型腔室方向凸起的弧形面；

17、第三支承基体的内表面的中部固定有沿水平方向延伸的第一条形凸起；

18、第一条形凸起的外侧面与第三支承基体的内表面固定连接，第一条形凸起的内侧面为向远离成型像腔室方向凸起的弧形面，且第一条形凸起的内侧面处设有沿水平方向延伸的第二圆弧形凹槽；

19、第一条形凸起的上表面与上压头接触，第一条形凸起的下表面与下压头接触。

20、第四支承基体与第三支承基体之间呈相对设置；

21、第四支承基体的外表面为与外部套筒的内表面贴合的弧形面；

22、第四支承基体的内表面为向成型腔室方向凸起的弧形面，且该内表面处设有沿水平方向延伸的第二圆弧形凸起，第二圆弧形凸起的外侧面与第四支承基体的内表面固定连接，第二圆弧形凸起的外侧面为向成型腔室方向凸起的第二圆弧面；

23、第二圆弧形凸起与第二圆弧形凹槽之间呈对应设置。

24、下压头的底部表面为平面，且底部表面位于成型腔室的外部；

25、下压头的顶部表面位于成型腔室内部，其顶部表面为远离成型腔室方向凸起的弧形面，且顶部表面处设有沿水平方向延伸的第四圆弧形凹槽；

26、下压头朝向第一支承基体的第一下压头侧面与第一支承基体的内表面贴合，第一下压头侧面处设有数个沿竖直方向延伸的第三圆弧形凹槽，第一支承基体上的第一圆弧形凸起拼接插入第三圆弧形凹槽内，且第一圆弧形凸起的第一圆弧面与第三圆弧形凹槽之间紧密贴合；

27、下压头朝向第二支承基体的第二下压头侧面与第二支承基体的内表面贴合，第二下压头侧面处设有数个沿竖直方向延伸的第四圆弧形凸起，第四圆弧形凸起拼接插入第二支承基体的第一圆弧形凹槽内，且第四圆弧形凸起与第一圆弧形凹槽之间呈紧密贴合；

28、下压头朝向第三支承基体的第三下压头侧面为与第三支承基体的内表面紧密贴合的弧形面；

29、下压头朝向第四支承基体的第四下压头侧面为与第四支承基体的内表面紧密贴合的弧形面。

30、上压头的顶部表面为平面，其顶部表面位于成型腔室的外部；

31、上压头的底部表面位于成型腔室内部，底部表面为向成型腔室方向凸起的弧形面，下压头的底部表面设有沿水平方向延伸的第三圆弧形凸起；

32、上压头朝向第一支承基体的第一上压头侧面与第一支承基体的内表面贴合，第一上压头侧面处设有数个沿竖直方向延伸的第五圆弧形凹槽，第一支承基体上的第一圆弧形凸起拼接插入第五圆弧形凹槽内，且第一圆弧形凸起的第一圆弧面与第五圆弧形凹槽之间紧密贴合；

33、上压头朝向第二支承基体的第二上压头侧面与第二支承基体的内表面贴合，第二上压头侧面处设有数个沿竖直方向延伸的第五圆弧形凸起，第五圆弧形凸起拼接插入第二支承基体的第一圆弧形凹槽内，且第五圆弧形凸起与第一圆弧形凹槽之间呈紧密贴合；

34、上压头朝向第三支承基体的第三上压头侧面为与第三支承基体的内表面紧密贴合的弧形面；

35、上压头朝向第四支承基体的第四上压头侧面为与第四支承基体的内表面紧密贴合的弧形面。

36、通过该模具加工成型的月壤基弧形榫卯构件为弧形构件；

37、月壤基弧形榫卯构件朝向上压头的顶部表面为弧形面，该弧形面处设有第六圆弧形凸起；月壤基弧形榫卯构件朝向下压头的底部表面为弧形面，该弧形面处设有第六圆弧形凹槽，第六圆弧形凸起拼接插入第六圆弧形凹槽内；

38、月壤基弧形榫卯构件朝向第一支承基体的侧面处设有数个第七圆弧形凹槽，月壤基弧形榫卯构件朝向第二支承基体的侧面处设有数个第七圆弧形凸起，第七圆弧形凸起拼接插入七圆弧形凹槽内；

39、月壤基弧形榫卯构件朝向第三支承基体的侧面为弧形面，该弧形面处设有第八圆弧形凸起；月壤基弧形榫卯构件朝向第四支承基体的侧面为弧形面，该弧形面处设有第八圆弧形凹槽，第八圆弧形凸起拼接插入第八圆弧形凹槽内。

40、本技术还包括一种利用上述用于月球原位建造的易脱模成型模具制备月壤基弧形榫卯构件的真空烧结成型工艺，包括以下步骤：

41、s1、模具内壁的防粘连处理；

42、s2、模具组装：下压头分别与四个支承基体拼接；

43、s3、粉末装填：将月壤或与月壤模拟物粉末填装置下压头和四个支承基体拼接形成的箱体内，将上压头从上至下安装在成型腔室内；

44、s4、预压成型：将装填有月壤或月壤模拟物粉末的模具整体置于压力机中，通过上压头对型腔内部粉末施加50—100 mpa的压力进行预压；

45、s5、真空烧结：将模具整体放入真空烧结炉中，在真空度为pa的条件下，以5~10 ℃/min的升温速率升温至950~1000 ℃，并在该温度下保温0.5~1h；

46、s6、冷却脱模。

47、本发明的有益效果是：

48、（1）本技术通过上压头、下压头以及四个侧模板共同构成具有复杂圆弧形榫卯特征的成型型腔，使月壤或月壤模拟物粉末能够直接预压形成具有多方向榫卯结构的异形构件，减少烧结后对构件进行切削、开槽等二次机械加工的需求，提高复杂月壤基构件的整体成型能力；

49、（2）本技术通过将月壤基榫卯构件的凸出榫接部位设置为圆弧形结构，并使与其配合的凹槽具有相适配的圆弧形轮廓，减少了传统榫卯构件中的尖锐棱角及几何突变区域，有利于降低粉末压制过程中局部应力集中和密度分布不均，提高构件的成型完整性；

50、（3）本技术采用冷压成型与真空烧结相结合的制备方式，通过预压使月壤或月壤模拟物粉末获得预定的复杂几何形状，再通过真空烧结促进粉末颗粒之间的烧结结合和致密化，从而获得具有整体性和力学性能的月壤基弧形榫卯构件；

51、（4）本技术采用真空烧结工艺，可根据真空烧结炉的有效炉腔空间同时放置多个装有预压构件的模具，在相同烧结制度下对多个构件进行同步烧结，从而实现月壤基弧形榫卯构件的批量制备，提高构件的制备效率，并有利于保证同批次构件烧结条件的一致性；

52、（5）本技术制备的月壤基弧形榫卯构件能够利用其不同方向设置的圆弧形凸起和圆弧形凹槽进行相互拼接，多个构件能够组合形成环形结构，并可进一步扩展形成多层环形结构，为月球基地舱体、防护结构等模块化月面建筑结构的快速拼装提供构件基础。