月球原位建造材料制備方法與應用技術綜述*

蔡禮雄，彭祺擘，王慎泉，周 誠

(1.華中科技大學土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；3.中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

0 引言

隨著人類社會的發(fā)展，探索外太空與地外天體成為探究宇宙起源、延續(xù)人類文明、促進科技發(fā)展的重要途徑之一[1-2]。月球作為地球唯一的衛(wèi)星，是離地球最近的地外天體，也是人類探索征途中的第一站，具有極大的探索與開發(fā)價值[3-4]。月球科考與開發(fā)的進程都是按照“探、登、駐”三步進行規(guī)劃和實施，在月面建立適合中長期駐留的永久性基地是進行深度月球科考和資源開發(fā)的必然選擇。月球基地建設主要有地球預制-月面搭建和月面原位建造兩種方式[5]。月球建筑材料是實現(xiàn)月球基地建造的基礎，但面對未來大規(guī)模的建設需要，完全從地球攜帶原材料或預制組件成本高昂，月面原位建造因其對地球攜帶資源依賴小，被公認為是開展中長期月球基地建設的最佳方式[6]。

月面原位建造是利用月球的原位資源開展建造活動，其關鍵在于建造材料的原位制備、應用和穩(wěn)定服役[7]。月球建造材料原位制備須在月面有限的資源條件和特殊的工程環(huán)境條件約束下，對原位材料進行加工，使其具備特定的幾何構(gòu)型及服役性能[8]。然而，月球原位資源種類單一性(月面僅有月壤/月巖)、組成復雜性(玄武巖質(zhì)復合硅酸鹽粉體，主要有SiO2，TiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO等[9])和工程環(huán)境特殊性(超高真空、極端溫度循環(huán)、強輻射等[10])給月面原位建造材料的制備與應用造成了巨大的挑戰(zhàn)[11]。在月面原料特性和工程環(huán)境特征的約束下，選擇合適的月壤原位固化工藝是決定未來月球原位建造技術發(fā)展方向的關鍵[12]。

考慮到在月球原位制備建筑材料的可行性與復雜性，月球環(huán)境下的建筑材料原位制造工藝流程應盡量簡便化、易實現(xiàn)。同時，應保證月球建筑材料在施工和服役過程中的結(jié)構(gòu)性能，如較高的抗壓、抗拉強度、抗疲勞、抗裂、防輻射等性能。另外，還應考慮月球建筑材料的耐久性、穩(wěn)定性和通用性?？傮w而言，理想的月球建筑材料制備方案應該最大限度地利用現(xiàn)場資源，簡化制備過程，并有理想的月面原位服役性能和耐久性。

通過查閱大量月球建造材料相關文獻可知，國內(nèi)外眾多研究團隊提出了多種不同月壤原位建造材料制備工藝，對應不同的材料體系[13-14]，如水泥-月壤混凝土、地質(zhì)聚合混凝土、干拌蒸壓混凝土、聚合物粘結(jié)月壤、硫磺粘結(jié)月壤、燒結(jié)月壤、熔融月壤等[15]。根據(jù)月壤固化體的固化機理，可將月壤原位固化工藝初步分為水化反應固化、粘結(jié)固化和高溫熱成型固化3種類型。

1 水化反應固化類

1.1 水化反應固化類國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水化反應固化類是指通過膠凝材料水化反應或激發(fā)月壤膠凝性形成水化產(chǎn)物，從而實現(xiàn)月壤固化的方法，月壤在其中作為參與水化反應的重要組分，硬化體為連續(xù)水化產(chǎn)物形成的框架包裹著未水化的月壤顆粒，主要強度來源為水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用和未水化月壤顆粒填充效應。根據(jù)不同的原料體系與制備工藝，月壤水化反應固化類的典型材料體系有水泥-月壤混凝土、月壤地質(zhì)聚合混凝土和月壤干拌蒸壓混凝土。

1)水泥基月壤混凝土

水泥混凝土是目前地球上使用最普遍、用量最大的建筑材料，被廣泛應用于結(jié)構(gòu)、填充、修補等各種工程場景。水泥混凝土的原料體系主要包括膠凝材料、集料、水和外加劑四大類，其強度來源自水泥中活性礦物的火山灰反應形成的膠結(jié)體，通過膠結(jié)骨料形成混凝土。

1985年，NASA的T D Lin提出了在月球上生產(chǎn)混凝土的想法，即從月球的土壤和巖石中產(chǎn)生粘結(jié)材料和骨料，并通過加熱月球鈦鐵礦或燃燒地球攜帶的氫獲得水[16]。T D Lin等還利用阿波羅16號月球土壤作為細骨料，用鋁酸鈣水泥和水配制混凝土，抗壓強度達到75.635MPa，抗折強度為8.315MPa[17]。其研究表明，澆筑和固化過程應在有溫濕度控制的密封罐內(nèi)進行，并將多余的水分進行循環(huán)利用。Juliana等利用75%的JSC-1A模擬月壤和25%波特蘭水泥制備的砂漿28d強度達到了30MPa以上，并表明模擬月壤中較細的顆粒(≤75μm)和較粗的顆粒(>75μm)在混凝土中分別以輔助膠凝材料和填充料/骨料的形式發(fā)揮作用[18]。

此外，H S Cullingford研究表明真空環(huán)境對已較好養(yǎng)護的混凝土強度影響很小，同時在壓力下進行足夠的養(yǎng)護會導致結(jié)構(gòu)致密，降低真空環(huán)境下化學鍵合水的脫水程度[19]?？梢娒芊鈹嚢枧c養(yǎng)護是在月球上制備混凝土必不可少的工序，可以避免超高真空引起的蒸發(fā)效應的不利影響。

2)地質(zhì)聚合混凝土

地質(zhì)聚合混凝土類似于水泥類膠凝材料，是特殊的無機縮聚三維氧化物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的新型無機聚合物材料，原料采用以Si，Al，O為主要元素的硅鋁質(zhì)材料通過燒制而成。將燒成后的高活性粉料與水和激發(fā)劑的混合液進行拌合，再加入較粗顆粒的月壤作為骨料，通過激發(fā)劑的裂解與聚合作用，使高活性無機材料形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機高聚物，實現(xiàn)對月壤的固化并獲得強度。

相關研究表明，在常溫常壓環(huán)境下制備模擬月壤地質(zhì)聚合混凝土，由于模擬月壤成份和粒度等差異，強度可在15～50MPa波動[20]。

Alessio Alexiadis等利用模擬月壤JCS-1A，利用地質(zhì)聚合反應制備出抗壓強度達到18.4±1.6MPa，抗折強度達13.0±3.7MPa的混凝土[21]。

Carlos Montes等利用地質(zhì)聚合物粘結(jié)劑，將98%以上模擬月壤以傳統(tǒng)方法制備出16MPa的混凝土(見圖1)[22]。

圖1 模擬月壤地質(zhì)聚合混凝土樣品[22]Fig.1 Lunar regolith simulant geological polymeric concrete samples[22]

Zhou 等利用BH-2模擬月壤，以8mol/L氫氧化鈉溶液作為激發(fā)劑，在模擬月面溫度和氣壓(-0.1MPa)環(huán)境中進行養(yǎng)護，其中90℃以上養(yǎng)護72h，強度可達38.2MPa，并指出真空環(huán)境中養(yǎng)護的地質(zhì)聚合模擬月壤強度較高是由于避免了空氣中CO2的風化作用[23]。通過激發(fā)劑配合比優(yōu)化，當氫氧化鈉∶硅酸鈉∶模擬月壤=0.09∶0.15∶1時，28d抗壓強度可達75.6MPa[24]。

Xu等通過單軸向壓制法，配合水蒸氣回收裝置，可以回收98%水份，并且在真空實驗與凍融循環(huán)實驗中均可保持穩(wěn)定性能[25]。

Jennifer N Mills和Peter J Collins等針對代表月海和高地的不同模擬月壤，制備并測試了不同養(yǎng)護條件下的地質(zhì)聚合材料，研究表明高溫、低溫和低壓等極端環(huán)境可以復合礦物學、非晶態(tài)(玻璃)含量等化學差異和顆粒大小和形狀分布等物理差異對反應程度和地聚合物轉(zhuǎn)化的影響，導致力學性能的變異性更大[26-27]。

歐空局支持的Shima Pilehvar等研究表明，混合了尿素塑化劑的模擬月壤地質(zhì)聚合混凝土強度優(yōu)于僅用聚羧酸和萘基高效減水劑作為塑化劑的樣品，相同工作性能下可減少用水量達30%以上(見圖2)[28]，尿素的引入不僅優(yōu)化了月壤地質(zhì)聚合材料的擠送性能，還通過孔隙率的增加減少了混凝土的劣化，且在真空養(yǎng)護時尤其顯著，但在模擬月晝與月夜溫度循環(huán)條件下進行養(yǎng)護時則造成了力學性能的下降[29]。

圖2 歐空局利用尿素作為塑化劑制備的模擬月壤地質(zhì)聚合混凝土[29]Fig.2 ESA prepares lunar regolith simulant geological polymeric concrete with urea as plasticizer[29]

此外，針對模擬月壤地質(zhì)聚合物在月面原位環(huán)境的服役性能，Guiyan Xiong等研究了模擬月壤地質(zhì)聚合物養(yǎng)護7天后暴露在模擬月面極端溫度環(huán)境中的力學性能變化，表明月面高溫(120℃)對力學性能幾乎沒有影響，低溫環(huán)境(-30℃)由于疊加了材料中冰的強度，力學性能顯著提升，熱沖擊(-196℃～25℃)循環(huán)的暴露史對模擬月壤地質(zhì)聚合材料力學性能也略有提升，且微觀結(jié)構(gòu)依舊密實[30]。

然而月壤地質(zhì)聚合物在接近月面的高溫和真空環(huán)境下難以固化，需要在加壓室中進行固化才能形成強度[31]。

地質(zhì)聚合物混凝土相對水泥混凝土的優(yōu)點在于可以用少量激發(fā)劑激發(fā)月壤活性，對于膠凝材料的需求量較少，但其缺點與水泥混凝土類材料相似，拌合水資源稀缺，月面超高真空條件下無法自然養(yǎng)護成型，同樣需要在密封且有壓力的條件下進行所有制備流程，形成足夠強度前不能暴露在月面環(huán)境中，養(yǎng)護條件苛刻。

3)月壤干拌蒸壓混凝土

干拌蒸壓混凝土是根據(jù)月壤的礦物組成特性，通過添加鈣質(zhì)材料(如氫氧化鈣)，將原料混合成型后，使坯體在飽和蒸汽壓條件下發(fā)生水熱合成反應，形成相互膠結(jié)的水化產(chǎn)物，從而獲得強度。

TD Lin和Su等首次提出了將干拌蒸壓混凝土工藝于月球建造材料原位制備，通過密封蒸壓養(yǎng)護工藝實現(xiàn)混凝土快速養(yǎng)護，避免了超高真空環(huán)境對混凝土養(yǎng)護的影響[32-33]。以水泥為鈣質(zhì)材料，模擬月壤或標準砂為硅質(zhì)材料，通過不同的工藝獲得了不同強度(10～70MPa)的樣品，證明了月壤干拌蒸壓工藝制備月球建筑材料的可行性[34-35]。Lin等人還提出了利用太陽熱集中器產(chǎn)生蒸汽固化工藝在月球表面制備月壤干拌蒸壓混凝土樣品的詳細方案[36]。蔡禮雄等根據(jù)鈣硅材料間的水熱合成機理，利用氫氧化鈣代替水泥進行HUST-1模擬月壤的干拌蒸壓實驗(見圖3)，氫氧化鈣摻量1%～20%時，抗壓強度在0.5～49.5MPa間逐漸增長[37]。

圖3 模擬月壤干拌蒸壓混凝土樣品[37]Fig.3 Lunar regolith simulant dry mix autoclave concrete samples[37]

干拌蒸壓混凝土在月球原位建造中應用的主要優(yōu)勢是養(yǎng)護時間相對水泥混凝土較短，蒸壓養(yǎng)護環(huán)境封閉，不受外界影響，且所形成的產(chǎn)物中結(jié)合水相對穩(wěn)定。然而，干拌蒸壓混凝土需要的鈣質(zhì)材料與產(chǎn)生飽和蒸汽壓的水都需要從地球運送，其中鈣質(zhì)材料用量占粉體總質(zhì)量10%～15%，蒸壓水熱反應結(jié)合水最小需水量約為粉體總質(zhì)量的10%。而且該材料制備工藝因必須在飽和蒸汽壓條件下激發(fā)月壤反應活性，使混合料發(fā)生水熱合成反應才能獲得強度，因此不適用于3D打印技術。

1.2 水化反應固化類材料月面原位制備與應用分析

根據(jù)水化反應固化類材料的制備工藝需求和月面環(huán)境條件，可將水泥-月壤混凝土、月壤地質(zhì)聚合混凝土和月壤干拌蒸壓混凝土的月面原位制備工藝流程和制備流程總結(jié)如圖4～6所示。

圖4 月壤水化反應固化類材料月面原位制備工藝流程Fig.4 Process flowchart of lunar surface in-situ preparation of lunar regolith hydration reaction solidified materials

圖5 水泥-月壤混凝土和月壤地質(zhì)聚合混凝土月面原位制備流程構(gòu)想Fig.5 Conceptual of in-situ preparation process of cement-lunar soil concrete and lunar soil geological polymeric concrete

圖6 月壤干拌蒸壓混凝土月面原位制備流程示意Fig.6 Conceptual of in-situ preparation process of lunar soil dry mix autoclave concrete

水泥-月壤混凝土和月壤地質(zhì)聚合混凝土由于需要液態(tài)水參與拌合與反應，因此需要在加水拌合與養(yǎng)護階段均處于密封帶壓與控溫環(huán)境，避免拌合水在月面超高真空環(huán)境下快速沸騰汽化導致水泥/月壤等膠凝材料顆粒因無法保持水分而水化反應停滯，難以形成足夠的強度。月壤干拌蒸壓工藝在模塊坯體成型前都無需密封環(huán)境，模塊坯體成型后進入蒸壓養(yǎng)護階段，需要在密封反應釜中進行飽和蒸汽壓養(yǎng)護(約170℃，0.8MPa以上)。

由此可見，水泥-月壤混凝土與月壤地質(zhì)聚合混凝土在月面環(huán)境下的制備需要在定制的密封生產(chǎn)線中進行攪拌、成型與養(yǎng)護(養(yǎng)護時間由養(yǎng)護條件決定)；而月壤干拌蒸壓混凝土只需在飽和蒸汽壓的密封反應釜中進行蒸壓養(yǎng)護8～10h即可。同時，水化反應固化類材料由于無法在月面特殊環(huán)境中進行水化反應，因此無法像在地球上一樣直接進行3D打印建造，只能在密封有壓力的環(huán)境中先進行預制，然后再用于建造活動。

月面原位服役性能方面，由于是在密封帶壓的環(huán)境中進行制備與養(yǎng)護，月壤水化反應固化類材料的物理力學性能與地球上相應工藝制備的材料相近。水泥-月壤混凝土由于膠結(jié)材料的活性較高，干拌蒸壓混凝土由于飽和蒸汽壓養(yǎng)護的激發(fā)效應較強，所形成的固化體強度較高，普遍可以達到30MPa以上。相對而言，地質(zhì)聚合反應由于月壤的火山灰活性較低，且養(yǎng)護條件的激發(fā)效應弱，抗壓強度普遍低于20MPa，需采用壓制成型、增強型外加劑等措施提高強度。

若要使水泥基月壤混凝土和地質(zhì)聚合混凝土在月面有更好的工作性，則需要突破在超高真空環(huán)境下的保水性，確保水化反應的持續(xù)進行。

2 粘結(jié)固化類

2.1 粘結(jié)固化類材料研究現(xiàn)狀

粘結(jié)固化類是指主要通過粘結(jié)組分與月壤混合均勻后使粘結(jié)劑粘附在骨料表面，并在結(jié)構(gòu)體中形成相互粘結(jié)的三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)束縛粉體顆粒移動的月壤固化方法，月壤在其中僅作為填充材料不參與化學反應，僅發(fā)揮體積填充與骨料效應。根據(jù)所用粘結(jié)材料的類型，典型的粘結(jié)固化材料體系包括聚合物粘結(jié)劑固化、無機粘結(jié)劑固化、金屬粘結(jié)劑固化和生物粘結(jié)劑固化四種類型。

1)聚合物粘結(jié)劑固化

聚合物粘結(jié)劑固化采用有機高分子聚合物作為膠結(jié)材料，從而獲得強度。

韓國漢陽大學Tai Sik Lee等提出將高分子聚合物混凝土應用到月球原位建造中(見圖7)，并對此開展了大量的研究，以10%的熱塑性聚合物(聚乙烯)為粘結(jié)劑，以玻璃纖維替代鋼筋，將聚乙烯、玻璃纖維與模擬月壤混合均勻后加熱至230℃，5h后獲得的聚合物混凝土強度達到12.6～12.9MPa[38-40]。同時，Tai Sik Lee等也提出了通過混合料預熱提高熔煉效率和縮短加熱時間[41-42]。NASA也針對聚合物混凝土開展了相關研究，M P Bodiford等人使用不同成分的聚合物基粘合劑(聚乙烯、聚氨酯和乙烯基共聚合物(EVOH))，并且考慮了成形壓力的影響[43]。J M Gosau優(yōu)化了一種聚氨酯配方，該配方能夠?qū)⒃虑虮砻娌牧夏鄢擅芗膲K狀，并能以20∶1的風化層與粘結(jié)劑的比例作為建筑材料，抗壓強度值達到6.9MPa[44]。聚合物混凝土不僅可作為載人探索的結(jié)構(gòu)材料用于月球設施的建設，還可用于改善道路、堤壩等基礎設施的建設，以防止月塵。

圖7 聚合物粘結(jié)模擬月壤樣品[39]Fig.7 Polymer-bonded lunar regolith simulant samples[39]

2)無機粘結(jié)劑固化

研究最普遍的無機粘結(jié)劑固化類月球原位建造材料硫磺混凝土是利用熔融硫固化月球風化層，冷卻后結(jié)晶硫之間的共價鍵力產(chǎn)生強度。在歐美國家，硫磺混凝土在地球工程中已經(jīng)得到了較多的研究與應用[45]，由于原材料原位性、較好的抗彎強度和經(jīng)濟可行性，硫磺混凝土被認為是月球早期建設活動的候選材料[46]。1988年，Leonard和Johnson首次提出在月球或火星上使用硫磺混凝土作為建筑材料[47]。Gibson和Moore利用Apollo15與16的月壤樣品在1100℃真空條件下提取出了其中85%～95%的硫[48]。H A Omar研究表明，當含硫量為35%時，無添加硫磺混凝土的最大抗壓強度為33.8MPa，加入2%鋁纖維后，最大抗壓強度可達45.5MPa[49]。此外，硅和玻璃纖維的加入可改善硫磺混凝土的力學性能，同時，玻璃纖維的加入可使抗彎強度提高40%。H Toutanji等研究表明，暴露在月球表面劇烈的溫度波動造成的凍融對硫基混凝土強度并沒有影響，但是長期暴露在真空環(huán)境中54d后會導致硫的大量升華，從而導致硫的粘結(jié)效應嚴重損失[50-52]。此外，還進行了災變事件引起的損傷分析，建立了超高速沖擊試驗模型，指導月球基地結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的設計，使不利影響最小化(見圖8)[53-54]。

圖8 硫磺粘結(jié)模擬月壤樣品[54]Fig.8 Sulfur bonded lunar regolith simulant samples[54]

除硫磺混凝土外，其他無機類粘結(jié)劑也可在月面原位環(huán)境中進行月壤固化。Giovanni Cesaretti等根據(jù)菱鎂土水泥的固化機理，在模擬月壤所含的氧化鎂基礎上進一步補充氧化鎂與模擬月壤進行預混合(氧化鎂與氯化鎂的理想質(zhì)量比約為(2.5～3.5)∶1)，再通過D-Shape逐層攤鋪3D打印工藝將水合氯化鎂以噴灑的方式逐層均勻混入模擬月壤和氧化鎂混合料，從而實現(xiàn)對模擬月壤的固化(見圖9)[55]。菱鎂土水泥固化體系中引入石墨烯，可顯著降低經(jīng)歷高低溫循環(huán)沖擊后材料力學性能的劣化比例[56]。

圖9 模擬月壤粘結(jié)3D打印[55]Fig.9 3D printing of magnesite cement bonded lunar regolith simulant[55]

3)金屬粘結(jié)劑固化

金屬被認為是可用于固化月壤的粘結(jié)劑，其原料來源是月球登陸器的下降級。廖海龍等利用激光選擇性燒結(jié)工藝固化模擬月壤與AlSi10Mg混合粉末，在激光選擇性燒結(jié)過程中模擬月壤顆粒發(fā)生蠕形再固化，且發(fā)生了冶金反應，相對密度為92.5%試樣的極限抗壓強度達264MPa(見圖10)[57]。

圖10 金屬粉末選擇性激光熔融粘結(jié)模擬月壤樣品[57]Fig.10 Selective laser melting of metal powder bonded lunar regolith simulant samples[57]

4)生物粘結(jié)劑固化

英國曼徹斯特大學A D Roberts等研究顯示，來自人類的血清蛋白質(zhì)與體液相結(jié)合，可以粘結(jié)模擬月球或火星土壤(見圖11)，產(chǎn)生一種比普通混凝土更堅固的材料，適用于外星環(huán)境建造工作，抗壓強度可達25MPa，其粘結(jié)機制是血液蛋白變性或“凝結(jié)”可形成一種具有相互作用的擴展結(jié)構(gòu)，這種被稱為“β-折疊”的相互作用，可將材料緊密粘結(jié)在一起[58]。

圖11 英國曼徹斯特大學“血漿月球磚”[58]Fig.11 Plasma moon brick,University of Manchester,UK[58]

2.2 粘結(jié)固化類材料月面原位制備與應用分析

月壤粘結(jié)固化類材料的月面原位制備工藝流程如圖12所示。粘結(jié)固化類材料是以粘結(jié)劑形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固定月壤從而獲得強度，因此粘結(jié)材料必須以預先混合或后續(xù)噴灑的方式均勻分散于月壤中，從而形成均勻的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖12 月壤粘結(jié)固化類材料原位制備工藝路線Fig.12 Process roadmap of in-situ preparation of lunar soil bonded solidified materials

粘結(jié)固化類材料所適用的月面原位制備工藝與建造技術主要取決于所用粘結(jié)劑在月面環(huán)境中的工作性能和固化機理。月面原位服役性能方面，在實際應用中，月壤粘結(jié)固化類材料的物理力學性能與粘結(jié)劑種類、粘結(jié)劑的比例、粘結(jié)劑分布情況等因素密切相關，并且可調(diào)節(jié)范圍較廣，需要根據(jù)服役場景的實際性能需求進行設計。與此同時，粘結(jié)固化類材料的月面原位服役耐久性應主要考慮月面強輻射對粘結(jié)劑性狀的影響和月面極端高低溫循環(huán)對粘結(jié)劑-月壤所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞機制。

3 高溫熱成型固化類

3.1 高溫熱成型固化類材料研究現(xiàn)狀

高溫熱成型固化類是指通過電阻加熱/激光熔融/微波熔融等輻射、高能束或感應加熱方式，將月壤顆粒加熱到局部/整體熔融狀態(tài)，使月壤顆粒通過固相遷移產(chǎn)生相互鍵聯(lián)，然后通過緩慢降低溫度使熔融顆粒間形成結(jié)晶網(wǎng)絡，其強度來源于月壤再結(jié)晶形成的共價鍵，從而產(chǎn)生坯體致密化和再結(jié)晶的過程。宏觀表現(xiàn)為總體積收縮，致密度增加，坯體由松散粉體變?yōu)橹旅芏嗑Y(jié)體，強度大幅提升。高溫熱成型固化類材料主要有燒結(jié)、熔融和高能束3D打印3種工藝類型。

1)月壤燒結(jié)材料

根據(jù)NASA的C C Allen等人研究，真實月壤顆粒的燒結(jié)溫度是1 000～1 100℃，略低于月壤熔點溫度，恒溫時間應達到2～2.5h才能使松散顆粒燒結(jié)成為整體[59-61]。D A Altemir將模擬月壤用253MPa的壓力壓實，在普通電爐中以1 000℃燒結(jié)30min，燒成體強度高于14MPa[62]。A Meurisse等人利用JSC-1A模擬月壤所開展的燒結(jié)實驗研究表明真空環(huán)境對燒結(jié)材料的強度發(fā)展有利[63]。

Andrea Zocca等研究了JSC-2A模擬月壤在空氣和惰性氣氛中的燒結(jié)和熔化行為，得出大氣環(huán)境燒結(jié)在1 150℃以上發(fā)生顯著膨脹，且燒結(jié)升溫速率達50K/min時模擬月壤液滴呈球形，10K/min升溫速率導致液滴膨脹，為太陽能燒結(jié)的工藝參數(shù)設計提供參考[64]。

模擬月壤的放電等離子燒結(jié)(SPS)強度可達普通混凝土的10倍。材料性能主要受燒結(jié)溫度和壓力2個參數(shù)控制，燒結(jié)溫度是決定SPS過程中最終密度和孔隙率降低，施加壓力增大可顯著促進擴散速率和相變，從而實現(xiàn)了更高的傳質(zhì)和相變[65]。

模塊化燒結(jié)方面，Rodrigo Romol等在大氣環(huán)境中進行30cm×30cm×3cm的平板結(jié)構(gòu)拼裝模塊燒結(jié)工藝的研究(見圖13)，并針對模塊燒結(jié)時出現(xiàn)的應力集中導致開裂的問題，采用浮動模具設計和粗細顆粒混合配比的方式大大緩解[66]。模塊間的連接可以通過設計榫卯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機械連接，也可以通過在拼縫處加粘結(jié)劑的方式進行物理連接，或者采用鋁-鎳燃燒法進行月壤燒結(jié)磚的化學連接[67]。

圖13 模擬月壤燒結(jié)互鎖式著陸墊[66]Fig.13 Lunar regolith simulant sintering interlocking landing pad[66]

在國內(nèi)，中科院宋蕾等人比較了低鈦玄武巖型CLRS-1模擬月壤在大氣和真空環(huán)境下的成孔和導熱系數(shù)(見圖14)。研究表明，在1 100℃以上的真空燒結(jié)過程中形成的孔隙結(jié)構(gòu)是由于透輝石固體產(chǎn)生的含Si和Mg物質(zhì)在復合體系中溶解而蒸發(fā)形成的[68]。此外，真空燒結(jié)行為也造成了高鈦玄武巖CLRS-1模擬月壤磁性能的轉(zhuǎn)變，低于其熔點時鐵磁性變?nèi)?，高于其熔點時鐵磁性增強，為優(yōu)化燒結(jié)工藝設計提供依據(jù)[69]。

圖14 真空與大氣環(huán)境燒結(jié)CLRS-1模擬月壤[68]Fig.14 Sintered CLRS-1 lunar regolith simulant in vacuum and atmosphere[68]

中科院竇睿等利用CLRS-2高鈦模擬月壤，分別在空氣或氬氣氣氛下通過輻射熱燒結(jié)制備了燒結(jié)體(見圖15)，分析了燒結(jié)氣氛和溫度對燒結(jié)體的宏觀性能、礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)的影響[70]。

圖15 空氣或氬氣氣氛燒結(jié)CLRS-2模擬月壤[70]Fig.15 Sintered CLRS-2 lunar regolith simulant in air and argon atmosphere[70]

韓文彬等利用HUST-1模擬月壤，對比了大氣和真空環(huán)境下不同溫度燒結(jié)體的燒結(jié)程度與收縮形變特性(見圖16)，表明隨燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)體微觀形貌結(jié)構(gòu)逐漸密實，收縮形變逐漸增大；并得出通過坯體預密實和燒結(jié)過程加壓可減少因收縮應力導致的宏觀裂紋，顯著提高燒結(jié)體密實度和力學性能，抗壓強度可達到約70MPa[71]。

圖16 HUST-1模擬月壤不同溫度真空燒結(jié)[71]Fig.16 Vacuum sintered HUST-1 lunar regolith simulant at different temperatures[71]

模擬月壤燒結(jié)與3D打印技術的結(jié)合可以先采用粘結(jié)劑進行模擬月壤構(gòu)件成型澆筑[72]或3D打印[73]，形成所設計的構(gòu)件結(jié)構(gòu)后再燒結(jié)，材料與結(jié)構(gòu)強度的形成主要來自高溫燒結(jié)階段，其優(yōu)勢在于可以在形成較復雜的結(jié)構(gòu)體后進行燒結(jié)，將定型與晶相轉(zhuǎn)變兩個階段分開完成，提高結(jié)構(gòu)成型成品率。

中國科學院劉明等利用自主研發(fā)的面曝光立體光刻陶瓷3D打印機Ceramatrix和滿足微重力條件的月壤3D打印漿料，實現(xiàn)了立體光刻3D打印模擬月壤材料(見圖17)，并成功燒結(jié)出無明顯缺陷的結(jié)構(gòu)件。月壤結(jié)構(gòu)件不僅具有較高的尺寸精度與表面光潔度，而且具有優(yōu)異的壓縮強度與彎曲強度，其機械性能較國際現(xiàn)有水平提高2倍[74]。

圖17 中國科學院光固化3D打印-燒結(jié)模擬月壤樣品[74]Fig.17 Photolithographic ceramics 3D print-sintering lunar regolith simulant samples of Chinese Academy of Sciences[74]

微波燒結(jié)技術由于更高效、加熱均勻性更好而越來越受到人們的重視，因其能耗比傳統(tǒng)燒結(jié)低一半以上，被認為是最具潛力的月壤原位加工方法。微波加熱具有加熱速度可達到1 000℃/min、加熱溫度可高達2 000℃、擴散速度快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)好、熱效率高等優(yōu)點[75]。微波與月壤的耦合作用機制方面，L A Taylor等研究表明因月壤中納米鐵(nano Fe0)與微波發(fā)生極端耦合效應，Apollo 17號月壤樣品對2.45GHz微波的吸收效率明顯高于模擬月壤[76]。然而，M Barmatz等對4個真實月壤樣品的微波介電常數(shù)和磁導率測量，在室溫下月球表層的磁性成分(包含納米鐵)對于2.45GHz微波吸收的貢獻不占主導，這與L A Taylor等人的研究結(jié)果相左[77]。R Wright[78]，D Vaniman[79]和E Hill[80]等人研究結(jié)果證明了鈦鐵礦對微波吸收的促進作用。M Barmatz等研究顯示含尖銳邊界顆粒的月壤樣品加熱效率高于圓邊界顆粒的月壤樣品[81]。

微波燒結(jié)工藝與性能優(yōu)化方面，Vamsi Krishna Balla等人證明了利用低至2.12J/mm2的激光能量可直接對月球風化層進行燒結(jié)[82]。Thomas Meek等在大氣環(huán)境中利用傳統(tǒng)磁控管微波源(2.45GHz輸出1.6kW)在不同溫度(936℃，1 050℃，1 150℃，1 300℃)下的3種模擬月壤燒結(jié)樣品，得到玻璃狀和結(jié)晶狀兩種燒結(jié)體物相，抗壓強度在5～25MPa，硬度在350～800kg/mm2寬幅波動[83-84]。S M Allan等在氬氣環(huán)境中進行JSC-1AC模擬月壤的微波燒結(jié)研究表明，模擬月壤在250℃以下微波加熱速度較慢，250℃以上微波介質(zhì)損耗顯著提升，從而提出了熱輻射+微波組合加熱工藝，并通過有限元和有限差分法進行了微波燒結(jié)模擬仿真，得到了接近真實燒結(jié)實驗結(jié)果的微波燒結(jié)模型[85-86]。

韓國學者Young-Jae Kim等人在利用KLS-1模擬月壤進行微波燒結(jié)處理中燒結(jié)溫度從1080℃升高到1 120℃，樣品的線性收縮增加和孔隙率降低使機械強度從12.6MPa顯著增加到37.0MPa，且在-100℃～200℃的極端溫度循環(huán)下仍能保持較好的強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以用于月面服役[87]。同時，Sungwoo Lim針對在地球模擬月面環(huán)境的困難，開發(fā)了月球表層微波加熱行為的數(shù)值模型，為月壤原位微波加工工藝的設計提供理論指導[88-89]。

2)月壤熔融材料

與燒結(jié)材料有所不同，熔融澆筑材料需要將月壤加熱到熔點以上，使其處于流動狀態(tài)，并緩慢冷卻，以生成穩(wěn)定的晶體，而不是使其玻璃化[90]。熔融澆筑地球玄武巖的抗壓強度可達538N/mm2，抗折強度可達34.5N/mm2，這使玄武巖成為月球建造的理想原料[91]。HIT-L-1模擬月壤玻璃化的極限抗壓強度和彎曲強度分別為67.1±31.9MPa和100.7±31.3MPa，導熱系數(shù)和比熱容接近混凝土，綜合性能可滿足月球建造需求[92]。熔融澆筑材料最合適的應用主要是以壓縮為主的結(jié)構(gòu)，同時也是鋪裝月球高耐磨性路面的良好選擇。然而，高熔點使得月壤熔融澆筑過程需要消耗大量的能源，幾乎需要360kWh/t。同時，玄武巖較高的硬度和脆性使其無法進行切削和鉆孔加工[93-94]。

3)月壤高能束3D打印

通過高能束直接將逐層攤鋪的月壤加熱至熔融溫度區(qū)間，利用熔融月壤的流動性使其浸潤攤鋪層月壤，從而與下層月壤粘結(jié)，實現(xiàn)月壤逐層固化，形成具有復雜形狀的目標固化整體。根據(jù)高能束的能量來源，可以分為太陽能3D打印、激光選擇性熔融(SLM)3D打印等。

月壤熔體在高能束作用下的表面張力是影響其浸潤性并進一步?jīng)Q定高能束打印工藝的關鍵。針對JSC-1A模擬月壤在真空下表面張力引起的空洞形成和熔體向上遷移現(xiàn)象，很大程度上會影響熔融3D打印成型的結(jié)構(gòu)體致密度和力學性能，在月壤熔融3D打印工藝研究與設計中需重點考慮[95]。

A Meurissea和Miranda Fateri等通過聚焦人造氙氣光實現(xiàn)了對模擬月壤的光聚焦直接燒結(jié)，并通過粉床逐層攤鋪燒結(jié)的方式制造了第1塊太陽能3D打印磚(見圖18)，但由于孔隙率高和層間結(jié)合力薄弱，強度低于5MPa，驗證了在月面進行月壤太陽能燒結(jié)的可行性[96-97]。Miranda Fateri研究了不同能量密度和掃描速度的激光對JSC-1A熔融特性和熔池狀態(tài)的影響，最終以45W激光和不同的掃描速度匹配，實現(xiàn)了復雜幾何構(gòu)型樣品的激光選擇性熔融3D打印(見圖19)[98]。激光粉末床聚變處理月球高地表土模擬物NU-LHT-2 M的試樣壓縮屈服應力值超過31.4MPa，顯微硬度值超過680HV，顯示了該技術在月球表層成分沉積方面的潛力[99]。

圖18 A Meurissea等模擬月壤太陽能燒結(jié)樣品[96]Fig.18 JSC-2A lunar regolith simulant solar sintering samples by A Meurissea[96]

圖19 Miranda Fateri的模擬月壤SLM樣品[98]Fig.19 Simulated lunar soil SLM sample by Miranda Fateri[98]

3.2 高溫熱成型固化類材料月面原位制備與應用分析

月壤高溫熱成型固化類材料的月面原位制備工藝流程如圖20所示。月壤高溫熱成型固化材料可以完全用月面原位月壤作為原料。根據(jù)月壤加熱所達到的溫度區(qū)間，可以將月壤高溫熱成型固化分為燒結(jié)和熔融兩種。月壤燒結(jié)工藝是將月壤顆粒加熱到局部熔融狀態(tài)，月壤顆粒通過固相遷移使坯體致密化和粉體表面再結(jié)晶產(chǎn)生相互鍵聯(lián)，從而實現(xiàn)坯體由松散粉體變?yōu)橹旅芏嗑Y(jié)體，宏觀表現(xiàn)為總體積收縮和強度大幅提升，因此月壤燒結(jié)工藝只適合于月面原位模塊化預制拼裝建造。月壤溫度提高到熔融區(qū)間并保持一段時間，月壤將逐漸熔融，宏觀表現(xiàn)為體積顯著縮小并呈現(xiàn)一定的流動性。熔融月壤所適用的成型工藝有熔融澆筑、擠出式熔融3D打印和鋪粉式選區(qū)熔化3D打印。

圖20 月壤高溫熱成型固化類材料原位制備工藝路線Fig.20 Process roadmap of in-situ preparation of high temperature solidified lunar soil

月面原位服役性能方面，月壤高溫熱成型材料物理力學性能與月壤顆粒特性、熱成型溫度、溫控制度等工藝參數(shù)密切相關，主要體現(xiàn)在不同的礦物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和密實度。由于僅以月壤為原料，且在真空環(huán)境中成型，月壤經(jīng)歷熔凝再結(jié)晶過程所形成的礦物相對較穩(wěn)定，微觀層面主要表現(xiàn)為礦物結(jié)晶度的改變，介觀層面主要表現(xiàn)為坯體孔隙率的降低和致密化，宏觀層面主要表現(xiàn)為尺寸的收縮和力學性能的提高。在不考慮制備過程中產(chǎn)生的宏觀孔隙的影響下，月壤熔融材料由于致密度高，其力學性能可以達到100MPa以上，明顯高于月壤燒結(jié)材料(約50MPa以上)。

月壤高溫熱成型材料與地球上泥土燒制成的陶瓷材料相似，月面原位服役耐久性方面，其對月面強輻射環(huán)境的敏感度較低，而根據(jù)太空風化對月面巖石的破壞作用推測，月面極端高低溫循環(huán)對月壤高溫熱成型材料的影響更為顯著，應作為月面原位服役時主要考慮的耐久性影響因素。

4 結(jié)論與展望

本文基于對月球基地原位建造資源條件和環(huán)境條件約束的調(diào)研，結(jié)合對國內(nèi)外月球原位建造材料研究與發(fā)展現(xiàn)狀綜述，從月面原位月壤固化方式角度，將月球原位建造材料分為水化反應固化、粘結(jié)固化和高溫熱成型固化三大類。根據(jù)相應材料的固化與強度形成機理，分析其在月面特殊環(huán)境中的原位制備工藝和所適用的原位建造方法，以及原位服役所需要注意的關鍵環(huán)境因素。

面向中長期駐月的月球科研站工程建設與服役需求，結(jié)合月面原位資源與環(huán)境特征和空間技術研發(fā)與應用流程，對于月球原位建造材料的后續(xù)研究方向提出以下幾方面建議。

1)開展模擬月面關鍵環(huán)境要素中的固化與成形技術研究

相對于地球的環(huán)境條件，月面特殊環(huán)境條件下月壤的原位固化和成形具有顯著的差異，尤其是月面超高真空、極端溫度和低重力等常態(tài)環(huán)境因素對月壤原位固化和成形的礦物組成、礦物結(jié)構(gòu)、密實度、物理力學性能、打印界面特性等均有決定性的影響。研究模擬月壤在模擬月面關鍵環(huán)境影響要素中的固化和成形技術，充分掌握月面關鍵環(huán)境要素對月壤原位固化與成形特性的影響規(guī)律，可為未來研發(fā)月面原位月壤建造材料制備關鍵技術提供參考，大幅減少月面原位材料研發(fā)工作量。

2)開展月球建造材料在模擬月面服役環(huán)境中的服役性能及耐久性研究

月球原位建筑材料在月面特殊環(huán)境中長期服役過程中，承受工程結(jié)構(gòu)荷載的同時，還承受極端的環(huán)境荷載，如月面極端高低溫循環(huán)、月面強輻射等，都會對月球建造材料的服役性和耐久性產(chǎn)生影響。月面原位服役性能及耐久性的研究成果可以改善現(xiàn)有的知識基礎，并推導出合適的月球建筑材料本構(gòu)模型，將月球建筑材料整合到結(jié)構(gòu)和建筑工程中。開發(fā)精確的本構(gòu)材料模型的優(yōu)點是使結(jié)構(gòu)設計的原則現(xiàn)代化，以及可以為類空間條件下的結(jié)構(gòu)工程實踐帶來革命性的數(shù)值模擬方法，還將減少對獲取/測試實際風化層的依賴，以及對進行傳統(tǒng)破壞性試驗的需要。與此同時，原位環(huán)境中的服役性能及耐久性研究，是根據(jù)工程性能要求進行材料體系選擇和設計的重要依據(jù)。

3)開展模擬月面特殊工程環(huán)境中的月壤建造材料成形與建造裝備研究

根據(jù)月面原位建造材料制備工藝和建造技術的要求，研發(fā)月壤建造材料原位成形、月球建造模塊原位拼裝和月壤3D打印建造等工藝的地面原理樣機，進行關鍵工藝裝備迭代與優(yōu)化，是月球建造材料原位制備和應用系統(tǒng)技術研發(fā)必須要經(jīng)歷的過程。