月球矿物资源的原位利用技术是月球基地建立和后续深空探索的基础。由于月球特殊环境及地月运输成本的限制，现有矿冶技术难以直接应用于月球矿物的原位开发。各国的科研人员围绕月球矿物资源原位利用方向开展了卓有成效的研究工作，发展了几种极具应用潜力的技术。这些方法可分为材料化成型和提取冶金两类，其中材料化成型工艺如烧结法、3D增材制造法等，主要用于将月壤直接材料化成型以制备月球基地建材。提取冶金工艺包括碳/氢化学介质还原法、电解还原法以及真空热解法等，可生产月壤矿物对应的金属单质或其低价氧化物，并获得氧气。本文概述了已有月壤原位利用技术的一般原理、基本过程、热力学动力学基础及近期研究进展。探讨了这些方法的一些优缺点，并展望了其在月球矿物原位利用上的应用前景

本文研究了GH132和GH136合金电渣重熔过程钛烧损的某些机理,发现渣中TiO2浓度较高时,（TiO2）是[Ti]烧损的主要氧化剂。与[Ti]相平衡的渣中钛的低价氧化物主要是Ti3O5,决定[Ti]烧损速率的主要因素是Ti4+在钢/渣界面层的传质速度,该传质速度随着渣中TiO2浓度的增加而增大。降低Ti3+向渣/气界面的扩散速度是减少[Ti]烧损的关键环节。实验研究了CaF2-Al2O3-TiO2渣系中Ti4+在电极/熔渣和金属熔池/溶渣界面1700±10℃时的传质系数与渣中TiO2含量之关系;测定了Ti3+向渣/气界面（温度为1500℃）的传质系数为2.2×10-1厘米/移

碱金属对高炉内焦炭的破坏大多通过研究碱金属碳酸盐对焦炭气化反应的影响,从而得出钾、钠破坏性相近,在控制碱金属入炉时也基本不对二者进行区分;但高炉调研表明在碱金属富集明显加剧的区域碱金属碳酸盐已分解且焦炭中钾含量均大于钠.本文通过热力学计算得知在碱富集区域碱金属主要以单质蒸气而非碳酸盐或氧化物形式存在,据此设计了模拟此区域有无CO2时钾、钠单质蒸气在焦炭上的自主吸附和破坏实验,结合原子吸收光谱法、X射线衍射法和扫描电镜-能谱分析发现钾蒸气和焦炭中灰分大量结合形成钾霞石后体积膨胀、裂纹扩展导致碱金属富集区域钾在焦炭上的吸附和破坏能力均远大于钠,因此建议尽量采用低灰分焦炭并严格控制入炉钾负荷.进一步研究体系中不同钾蒸气含量对气化反应的影响规律,得出当钾蒸气与焦炭的气固质量比率超过3%后焦炭反应性陡升.依据碱金属富集区域钾、钠在焦炭上的不同吸附和破坏性,建立了钾、钠各自入炉上限及总量上限的量化控制模型

通过1350-1550℃下Fe-Cr2O3、Fe2O3-Cr2O3和FeCr2O4的碳还原实验,结合X射线衍射和扫描电子显微镜考察不同形态铁（Fe、Fe2O3和FeO）对Cr2O3还原的影响.同一温度下最终还原度及还原速率均呈现Fe2O3-Cr2O3-C〉FeCr2O4-C〉Fe-Cr2O3-C的趋势,三种样品的还原都经历了氧化物→碳化物→Fe-Cr-C合金的过程;低碳碳化物的产生以及较早形成金属液相使Fe2O3-Cr2O3还原更充分,合金液相中碳溶解量低导致FeCr2O4的还原率偏低,而碳化物偏多、合金液相偏少阻滞了Fe-Cr2O3还原率的提高.实验得到Fe-Cr2O3-C、FeCr2O4-C和Fe2O3-Cr2O3-C体系的表观活化能分别为142.90、111.84和128.9 kJ·mol-1

使用10 kg真空感应炉Al脱氧冶炼较高S含量超低氧高强度钢,钢中T[O]降到0.0010%,S的质量分数为0.0190%.采用ASPEX explorer全自动扫描电镜对钢中非金属夹杂物进行检测,发现98%非金属夹杂物都是弥散分布的MnS和MnS+Al2O3复合夹杂物.MnS夹杂物棱角分明,从形貌特征来看应属于第Ⅲ类硫化物.MnS+Al2O3复合夹杂物以Al2O3为核心,外层包裹MnS,其数量约占9%~32%;作为核心的Al2O3平均直径为1.5μm.其生成过程可描述为:凝固过程中,小尺寸Al2O3被推至固液两相区,而选分结晶作用使得钢中的Mn和S在凝固前沿富集,并以Al2O3作为异质形核质点析出MnS夹杂物.对凝固过程中Al2O3的推动和捕获行为进行了相关计算.计算结果表明:直径小于4μm的Al2O3可被推动,并作为MnS的异质形核质点

为了探究含碳球团还原熔分机理，将分析纯的Fe2O3、氧化物和不同还原剂固结成球并进行等温还原实验，研究了温度、还原时间、配碳量、还原剂种类等条件对球团还原熔分行为的影响.进一步采用X射线衍射、扫描电子显微镜等手段表征了含碳球团在不同还原时间的微观结构及物相变化.实验结果表明：焙烧温度过低或过高含碳球团都不能良好熔分，配碳量增加可以提高球团还原和熔分速率，适宜的温度、碳氧摩尔比、还原剂分别是1400℃、1.2和煤粉.含碳球团还原熔分包括直接还原反应、间接还原反应、碳的气化反应、渗碳反应和铁的熔化反应，最后实现渣铁分离

采用X射线光电子能谱(XPS)研究了带有两种纳米氧化层(NOL)Ta/Ni80Fe20/Ir19Mn81/Co90Fe10//NOL1//Co90Fe10/Cu/Co90Fe10//NOL2/Ta的镜面反射自旋阀薄膜的化学结构.研究结果表明:CoFe/NOL1和NOL2/Ta界面处发生了热力学有利的化学反应.CoFe磁性敏感层仍保持金属特性,部分氧化的CoFe和Ta发生界面反应,使得Ta覆盖层被氧化成Ta2O5,形成NOL2.由于仍存在部分金属CoFe,NOL1为不连续的氧化层,使得与IrMn层仍存在直接的交换耦合作用.在退火过程中,IrMn层中的Mn原子扩散到NOL1中;然而,由于NOL1和扩散的Mn原子发生界面反应,生成Mn的氧化物,从而阻止Mn原子的进一步扩散,使其偏聚在NOL1中

利用熔融还原法进行了闪速炉水淬镍渣提铁的实验研究,探讨了熔渣二元碱度、反应温度和反应时间对提铁效果的影响.XRD测试结果表明水淬镍渣由正硅酸铁FeO·SiO2和玻璃态物质组成.镍渣中的氧化铁主要以FeO·SiO2的形式存在,通过常规的选矿方法很难实现铁氧化物的富集,故采用熔融还原方法进行镍渣提铁实验.实验结果表明增加配合料中CaO的加入量、提高反应温度以及延长熔制时间都能不同程度地提高镍渣中铁的还原率.通过比较1450~1600℃范围内各反应温度下不同类型还原反应的Gibbs自由能,镍渣熔融还原过程的主要反应形式为(FeO)+C(S)→[Fe]+CO↑.本实验确定的最佳配方组成为:镍渣100g、CaO34.7g、CaF24.04g和焦炭8.5g;最佳反应条件为1500℃熔制180min.以上条件下的渣铁分离效果较好,铁还原率达到96.32%

在高温条件下合成和实际高炉渣与碳的还原过程中,SiO2在2123K以上全部被碳还原,MgO在2173K上可全部被还原,而Al2O3即使在2273K只被还原63%,合成高炉渣在碱度不变时,增加MgO含量,可使渣中还原SiO2生成的SiC增加和SiO减少.随着温度升高和与碳混合均匀,实际高炉渣中氧化物的还原和反应后渣中Al2O3的含量都增加,而生成SiC的量减少;渣中MgO的含量明显降低,在较高的温度下渣中MgO全部被还原

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