地聚合物基月球混凝土及其3D打印原位建造設(shè)想

郭曉潞，熊歸硯，王志浩

（1.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（同濟(jì)大學(xué)）：上海201804；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

美國(guó)航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）均有實(shí)施載人登月并以月球?yàn)樘逯鸩介_展深空探測(cè)的計(jì)劃[1]。我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》明確將載人航天與探月工程列入國(guó)家重大科技專項(xiàng)；《中國(guó)至2050年空間科技發(fā)展路線圖》（2009）明確提出，中國(guó)將在2030年前后實(shí)現(xiàn)載人登月，建立月球基地。月球基地不僅可以作為能源開發(fā)基地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地、空間制藥基地，也被視為“深空中轉(zhuǎn)站”，還可以建設(shè)成為深空探測(cè)空間站和軍事戰(zhàn)略基地，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。因此，建造月球基地必將成為我國(guó)未來深空探測(cè)的重要空間發(fā)展目標(biāo)之一[2]。

地-月間運(yùn)輸成本高昂，月球基地建設(shè)所需的大量原材料無法完全依靠從地球獲取，而月球自身具有豐富的資源儲(chǔ)備，因此月球資源原位利用是月球基地建立、運(yùn)行和應(yīng)用的首選及保障?？臻g原位資源利用（in situ resource utilization,ISRU）涉及原位資源的加工技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備。在月球ISRU 體系中，利用月壤原位成型進(jìn)行月球基地建設(shè)具有重要地位[3]。廣義的月壤（lunar regolith）是指覆蓋在月球基巖之上的所有月表風(fēng)化物質(zhì)；狹義的月壤則是根據(jù)月球樣品的粒徑來定義的：直徑≥1 cm 的團(tuán)塊稱為月巖（lunar rocks）；直徑＜1 cm 的顆粒稱為狹義上的月壤（lunar soil）；直徑＜20μm的顆粒塵則稱為月塵（lunar dust）[4-6]。月壤成型技術(shù)按照成型條件及特點(diǎn)可以分為堆積成型、燒結(jié)成型、熔融成型、模壓成型及黏結(jié)成型[3]。其中，堆積成型不需要對(duì)月壤進(jìn)行額外的加工處理，最易實(shí)現(xiàn)，但材料和結(jié)構(gòu)的后續(xù)服役性能難以保證。燒結(jié)成型、熔融成型和模壓成型均屬于模板成型法，且對(duì)模板形狀具有多樣性要求；但月面苛刻環(huán)境限制了模板的月球原位生產(chǎn)，高昂的運(yùn)輸成本又限制了模板的地球補(bǔ)給，因此，模板成型法的使用空間有限。黏結(jié)成型技術(shù)主要依靠3D打印裝備實(shí)現(xiàn)，是一種無模板成型方法，在月球基地建造過程中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。因此，3D打印成型技術(shù)是實(shí)現(xiàn)月壤資源原位利用及月球基地建設(shè)的未來發(fā)展方向。

月球基地建造材料的研發(fā)和應(yīng)用，受到材料自身性能和原位獲取能力及其可加工處理能力的限制，成為月球基地建設(shè)的技術(shù)難點(diǎn)。本文從建筑材料和建造方式兩方面考慮，兼顧材料的施工性能和服役性能，提出將地聚合物材料用于月球基地工程建設(shè)的構(gòu)想，探討利用月壤制備地聚合物基月球混凝土以及3D打印建造方式的可行性，并就實(shí)現(xiàn)該設(shè)想涉及的研究方面做出展望。

1 月球基地建設(shè)概述

月球基地建設(shè)需要考慮月球環(huán)境因素、月球基地建筑結(jié)構(gòu)以及月球基地建筑材料等多個(gè)方面。

1.1 月球環(huán)境因素

月球環(huán)境因素[4]主要包括：月球表面處于高真空、微重力（g/6）狀態(tài)；月球上的晝夜交替周期是14天的白晝+14天的黑夜，且無大氣層保護(hù)導(dǎo)致晝夜溫差很大——白晝環(huán)境溫度最高達(dá)到150℃，夜間溫度最低達(dá)到-180℃；此外，月球上存在銀河宇宙射線和太陽高能粒子共同構(gòu)成的強(qiáng)輻射環(huán)境。

暴露在月面的建筑物，其建筑結(jié)構(gòu)和材料性能受到月球高真空、極端溫度變化和強(qiáng)輻射的考驗(yàn)，復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)中相同組分材料在不同結(jié)構(gòu)位置的溫度差異不容忽視；高速運(yùn)動(dòng)的小隕石會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有破壞性影響。同時(shí)，建造設(shè)備的可靠性也與月球環(huán)境緊密相關(guān)。因此，月球環(huán)境因素對(duì)月球基地建設(shè)具有重要影響。

1.2 月球基地建筑結(jié)構(gòu)

月球基地按主體結(jié)構(gòu)的制造地點(diǎn)及建造方式可分為月面組裝式和月面建筑式[7]。

月面組裝式是指主體結(jié)構(gòu)在地面制造，然后通過航天器運(yùn)送至月球，在月面進(jìn)行組裝，可根據(jù)材料特點(diǎn)分為剛性艙組裝式和柔性艙組裝式。剛性艙組裝式通常是金屬材料結(jié)構(gòu)，組裝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，但主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，因此建筑規(guī)模受到航天器運(yùn)載能力和發(fā)射次數(shù)的限制。柔性艙組裝式采用可展開結(jié)構(gòu)，在地-月運(yùn)輸過程中處于折疊狀態(tài)，到月面后再展開組裝，故對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的限制相對(duì)少些，但對(duì)材料的高延性、耐用性要求較高。

月面建筑式最大的特點(diǎn)是建筑材料主要來源于月球資源，不受地-月運(yùn)輸?shù)南拗?，但需考慮基地選址，突破礦石開采和材料加工等關(guān)鍵技術(shù)，開展建筑材料和建造設(shè)備等系列研究[8-9]。

1.3 月球基地建筑材料

月球基地建設(shè)僅僅依靠航天器從地球運(yùn)輸大量原材料至月球是極不現(xiàn)實(shí)的；結(jié)合月壤資源化技術(shù)，采用月面建筑式建筑結(jié)構(gòu)是月球基地建設(shè)的必然發(fā)展趨勢(shì)。各種月球基地建筑材料的優(yōu)勢(shì)和局限見表1。綜合比較原位資源利用效率和環(huán)境適應(yīng)能力，月球混凝土（lunar concrete）是月球基地建筑材料的理想選擇。

表1 月球基地建筑材料Table 1 Comparison among construction materials for lunar base

2 地聚合物基月球混凝土的可行性研究

2.1 月壤地聚合物材料

地聚合物是硅鋁質(zhì)原材料經(jīng)堿激發(fā)而生成的以硅鋁四面體連成的三維網(wǎng)狀無定形無機(jī)聚合物。近年來，地聚合物材料因其優(yōu)異的物理、力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注[10]。高硅鋁組分的月壤為月球上地聚合物的原位制備提供了可能。

根據(jù)Glukhovsky 反應(yīng)機(jī)理模型[11]，地聚合反應(yīng)過程分為解構(gòu)-重構(gòu)、重構(gòu)-凝聚、凝聚-結(jié)晶幾個(gè)階段（參見圖1(a)）：在堿性條件下，硅鋁源中硅鋁相結(jié)構(gòu)解體，逐漸形成由硅酸鹽、鋁酸鹽及硅鋁酸鹽組成的復(fù)雜體系；混合溶液中硅鋁酸鹽飽和時(shí)體系開始出現(xiàn)凝膠化反應(yīng)，形成低聚態(tài)的凝膠，并隨著凝聚作用逐漸形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；凝膠化階段后，體系中低聚態(tài)的膠體之間相互交聯(lián)形成地聚合物的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；隨后，體系進(jìn)一步脫水聚合形成地聚合物硬化體。地聚合物的經(jīng)驗(yàn)式為Mn[-(SiO2)z-AlO2]n·wH2O，其中：M指堿金屬離子（如Na+、K+等）；n為聚合度；z為Si、A l 的物質(zhì)的量之比（z=1,2,3）；w為含有結(jié)合水的個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元有3種，分別為硅鋁氧鏈（PS）型（-Si-O-A l-O-）、硅鋁硅氧鏈（PSS）型（-Si-O-Al-O-Si-O-）和硅鋁二硅氧鏈（PSDS）型（-Si-O-A l-O-Si-O-Si-O-）。以PSS型結(jié)構(gòu)的生成為例，由其反應(yīng)方程式[12]（見圖1(b)）可以看出，在堿性條件下，單體縮聚生成低聚體，進(jìn)一步縮聚生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大分子。結(jié)合反應(yīng)方程式，有學(xué)者認(rèn)為，水并沒有實(shí)質(zhì)性參與地聚合反應(yīng)，只是反應(yīng)載體[10]。

圖1 Glukhovsky 反應(yīng)機(jī)理模型及地聚合反應(yīng)方程式Fig.1 Glukhovsky model (a)and geopolymer reaction equations(b)

2.1.1前驅(qū)物（硅鋁質(zhì)原材料）

地聚合反應(yīng)過程首先是前驅(qū)物中硅鋁相的溶出，因此硅鋁質(zhì)原材料的獲取是制備地聚合物材料的先決條件。經(jīng)分析，美國(guó)“阿波羅”系列任務(wù)中獲得的月壤樣本的化學(xué)組分主要為SiO2、A l2O3、FeOT、CaO、MgO以及Na2O、K2O、TiO2、MnO、P2O5等（見表2），其中硅鋁氧化物含量占60%以上，表明月壤具備作為前驅(qū)物制備地聚合物材料的基礎(chǔ)。Lin 等[13]認(rèn)為，月壤組分與粉煤灰組分類似，且具有更高的活性。

表2 月壤和類月壤材料的化學(xué)組成Table2 Chemical compositionsof lunar soiland lunar soil-likematerials

2.1.2堿激發(fā)劑

堿在地聚合反應(yīng)過程中的作用在于堿激發(fā)劑溶液提供了高濃度氫氧根離子，促使硅鋁質(zhì)原材料中的硅鋁相結(jié)構(gòu)解體。月壤本身不含具有膠凝性能的礦物，但可經(jīng)過堿激發(fā)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為具有膠凝性質(zhì)的材料。堿激發(fā)劑主要是“MOH”型和“MOH+M2SiO3”型（其中M 為Na、K、Na+K）。研究表明，適宜的激發(fā)劑為Na2SiO3與堿的復(fù)合堿激發(fā)劑[11]。

2.1.3水

在地聚合反應(yīng)中，水的作用與其在水泥水化反應(yīng)中的作用不同。Weng 等[16]發(fā)現(xiàn)，水在地聚合反應(yīng)過程中起到媒介作用。由Glukhovsky 反應(yīng)機(jī)理模型及反應(yīng)方程式可知，水作為反應(yīng)物僅存在于溶出階段，其余階段均作為生成物存在。Wang 等[10]在實(shí)驗(yàn)室搭建了冷凝水循環(huán)裝置（圖2），并在模擬月球環(huán)境條件下通過水循環(huán)系統(tǒng)收集地聚合物制備過程中的水進(jìn)行分析，結(jié)果表明地聚合物制備過程中98%以上的水是可以重復(fù)利用的。

圖2 地聚合物的水循環(huán)裝置Fig.2 Thewater-recycling device for the geopolymer sample

2.1.4地聚合物基月球混凝土

在“硅鋁質(zhì)原材料+堿激發(fā)劑+水”基礎(chǔ)上引入骨料，具有膠凝性能的材料體系將骨料等膠結(jié)在一起形成以月壤地聚合物為膠凝材料的月球混凝土，即地聚合物基月球混凝土。骨料在該混凝土體系中占總體積的70%～80%，可以來源于月壤，且具有特定的粒徑分布。若地聚合物也可在月球原位制得，那么制備地聚合物基月球混凝土所需的材料，除了堿需要從地球運(yùn)輸過來，其余90%以上均可從月球獲得，保證了較高的原位資源利用率。Montes等[15]認(rèn)為，若以月壤為前驅(qū)物加入骨料制備地聚合物基月球混凝土，且水可以在月球原位獲得的話，則地聚合物基月球混凝土的制備只需從地球運(yùn)載僅為原材料總質(zhì)量2%的堿激發(fā)劑。

綜上所述，月壤因其含有較高占比的硅鋁氧化物可以作為地聚合反應(yīng)的前驅(qū)物來源，加之其具高活性易被堿激發(fā)，為原位制備地聚合物提供了支撐。同時(shí)，理論上90%以上的原位資源利用率保證了在月球就地取材原位制備地聚合物基月球混凝土的可能性。

2.2 地聚合物基月球混凝土的環(huán)境適應(yīng)性

對(duì)于地聚合物基月球混凝土的環(huán)境適應(yīng)性，主要從力學(xué)、耐溫差及抗輻射性能等方面來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

力學(xué)性能是各種工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用材料的主要依據(jù)，也是月球基地建設(shè)選用建筑材料首要考慮的因素。利用模擬月壤制得的地聚合物材料的抗壓強(qiáng)度均在25 MPa 以上[13-15,17]，滿足美國(guó)建造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的最小抗壓強(qiáng)度要求[15]。此外，地聚合物基月球混凝土的力學(xué)性能還與其成型工藝、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等相關(guān)。

月球表面巨大的晝夜溫差對(duì)月面構(gòu)筑物的耐溫差性能提出了高要求。Wang等[14]用凍融循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M月球環(huán)境的溫度變化，在單次凍融試驗(yàn)中，將地聚合物試件置于液氮（-196℃）中0.5 h，然后在25℃下保持0.5 h；經(jīng)30次凍融循環(huán)處理后，試件抗壓強(qiáng)度損失約1%，仍可達(dá)26.50 MPa，表明30次凍融循環(huán)對(duì)地聚合物材料的抗壓強(qiáng)度影響不大。據(jù)此推測(cè)，地聚合物材料具有較好的耐溫差性能。同時(shí)，月球的高真空環(huán)境也是對(duì)月球基地建筑結(jié)構(gòu)可靠性的一大考驗(yàn)。Wang等[10]通過將地聚合物試件置于60℃的真空環(huán)境，用真空處理后試件的強(qiáng)度損失量來評(píng)價(jià)地聚合物材料的真空穩(wěn)定性。對(duì)于抗壓強(qiáng)度為45.53MPa 的火山灰基地聚合物，經(jīng)24 h 真空暴露后其抗壓強(qiáng)度下降了4.83MPa，經(jīng)24 h 真空+30次凍融循環(huán)后其抗壓強(qiáng)度下降了5.41MPa。以上表明，地聚合物材料具有良好的真空穩(wěn)定性和抗凍融循環(huán)性能。

月球沒有大氣層的磁場(chǎng)屏蔽作用，若月球基地不具有抗輻射性能，則月面上的航天員將直接暴露于銀河宇宙射線和太陽高能粒子的強(qiáng)輻射環(huán)境中。Montes等[15]利用FLUKA 工具，基于蒙特卡羅法，模擬了月壤地聚合物材料的抗輻射性能，結(jié)果表明，當(dāng)400 MeV 高能質(zhì)子均勻撞擊月球基地（見圖3）時(shí)，50 cm 厚的地聚合物材料可提供足夠的屏蔽防護(hù)（見圖4）。

圖3 月球基地建筑結(jié)構(gòu)示意[15]Fig.3 Schematic diagram of the structure of the lunar base

圖4 400MeV 質(zhì)子均勻撞擊月球基地的模擬結(jié)果[15]Fig.4 The simulation results of 400 MeV protons impacting the lunar base,w ith thickness of structural material being 50 cm (a)and 100 cm (b)

綜上，地聚合物基月球混凝土在力學(xué)性能、耐真空溫差性能以及抗輻射性能等方面均能夠有效支撐月球基地建造需求。但上述實(shí)驗(yàn)大多是基于單一月球環(huán)境因素設(shè)計(jì)的，對(duì)于地聚合物材料在多重環(huán)境因素耦合作用條件下的環(huán)境適應(yīng)性需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 地聚合物基月球混凝土3 D打印建造設(shè)想

3.1 地聚合物建造工藝

3.1.1成型工藝

地面地聚合物材料常用的成型工藝主要有澆筑成型和壓制成型[18]。與澆筑成型相比，壓制成型地聚合物具有較低的水固比，需水量較少，整體成型結(jié)構(gòu)更為致密（見圖5），試件強(qiáng)度性能較好；加之在月球環(huán)境下澆筑成型的攪拌、澆筑過程較難實(shí)現(xiàn)，因此壓制成型工藝在月面建造中更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 地聚合物試件SEM圖[15]Fig.5 SEM imagesof geopolymer samples by casting(a)and pressing (b)

3.1.2 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種直接由數(shù)字模型制造三維結(jié)構(gòu)的新興智能建造技術(shù)，可增加建筑自由度，將成為月球基地建造方式的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。目前，有望用于基地建造的3D打印技術(shù)主要有擠出打印和粉末打印2種形式[19]。

1）擠出打印

擠出打印技術(shù)通過安裝在龍門架上的噴嘴擠出膠凝材料，逐層打印建筑結(jié)構(gòu)。輪廓工藝（contour crafting）是擠出成型中的一項(xiàng)技術(shù)，先打印出建筑輪廓，再填充輪廓內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)建造（見圖6(a)）[20]。Khoshnevis等[21]提出了利用輪廓工藝在月球上就地取材打印月球基地和公路的設(shè)想（見圖6(b)）。

圖6 輪廓工藝打印技術(shù)[20]及其應(yīng)用設(shè)想[21]Fig.6 Process of contour crafting and structure by contour crafting

有學(xué)者以地聚合物為擠出打印材料開展研究：Panda 等[22]基于可擠出性、形狀保持性、可建造性等參數(shù)共同表征擠出打印地聚合物材料的性能，以此優(yōu)選出適當(dāng)配比，并成功打印出構(gòu)件（見圖7）。此外，纖維[23]、微筋[24]等也被引入擠出打印地聚合物體系，以提升地聚合物打印體的韌性等。

圖7 擠出3D打印地聚合物構(gòu)件[22]Fig.7 Extrusion-based 3D printed geopolymer

2）粉末打印

粉末打印技術(shù)是將黏合劑（“油墨”）選擇性地沉積到粉末床中，將粉末床上的粉末黏結(jié)在一起，從而制造出具復(fù)雜幾何形狀的精確結(jié)構(gòu)。粉末打印工作如圖8所示：滾輪（roller）先在底板（build plate）上鋪設(shè)粉末床（powder bed），再根據(jù)打印層厚度要求在粉末床表面鋪一層粉末；此時(shí)，黏合劑從進(jìn)料器（binder feeder）輸送至打印頭（print head），由噴嘴進(jìn)行噴射；黏合劑將粉末層顆粒黏結(jié)在一起，經(jīng)逐層黏結(jié)疊加后可得到高精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件[25]。

圖8 粉末打印工作示意[25]Fig.8 Pow der-based 3D printing process

D型打印技術(shù)是粉末打印的典型工藝之一，D型3D打印機(jī)（見圖9(a)）是意大利工程師Enrico Dini的專利技術(shù)，它利用一個(gè)可移動(dòng)打印噴管陣列將黏合劑噴灑至砂質(zhì)材料，黏結(jié)疊加得到建筑構(gòu)件。D型3D打印機(jī)已被證明可在真空環(huán)境中正常工作，且已成功利用模擬月壤在大氣環(huán)境下打印出具有月球基地構(gòu)件特征的塊體結(jié)構(gòu)（見圖9(b)）[26]。

圖9 D型3D打印機(jī)及其打印體[26]Fig.9 D-shape 3D printer (a)and its printed structure (b)

Xia 等[19]利用粉末材料和黏合劑，結(jié)合粉末打印技術(shù)打印出地聚合物試件（見圖10）；并從粒徑分布、粉末床表面質(zhì)量、粉末床孔隙率、黏合劑滴入滲透行為（黏合劑滲透時(shí)間、滲透深度及鋪展半徑）等方面定量評(píng)估了地聚合物粉末材料的可打印性能，認(rèn)為粉末打印地聚合物材料可行。

圖10 粉末材料的制備方法和粉末打印所得地聚合物試件[19]Fig.10 The process of preparing geopolymer powder(a)and powder-printed geopolymer (b)

總的來看，無論是采用擠出打印還是粉末打印工藝，地聚合物材料均具有可打印性能。但是，現(xiàn)有研究中前驅(qū)物多為粉煤灰、礦渣等工業(yè)固體廢棄物，以模擬月壤或真實(shí)月壤為前驅(qū)物的地聚合物的可打印性能需要進(jìn)一步驗(yàn)證。目前，3D打印地聚合物的研究大多關(guān)注于原材料的配比，尋求更優(yōu)的可打印性能和可建造性能，而對(duì)地聚合物打印體的性能尤其是耐久性鮮有報(bào)道。另外，目前3D打印地聚合物的研究均在地面環(huán)境中開展，雖然D型打印機(jī)已被證明可在真空環(huán)境下正常工作，但真實(shí)月球環(huán)境更為嚴(yán)苛。因此，仍需要系統(tǒng)地開展理論研究，建立材料、結(jié)構(gòu)及性能之間的聯(lián)系，為3D打印地聚合物基月球混凝土提供扎實(shí)的理論支持。同時(shí)，地聚合物在月球環(huán)境條件下的3D打印施工性能及打印體的月球環(huán)境適應(yīng)性需要深入研究，以滿足原位建造月球基地的性能要求。

3.2 月壤原位3D打印建造設(shè)想

基于以上綜述分析，本文提出了地聚合物材料用于月球基地原位建造的初步設(shè)想，即在月球上就地取材，充分利用月壤資源，依靠航天器攜帶少量的堿激發(fā)劑，采用3D打印成型技術(shù)，期望實(shí)現(xiàn)月球基地原位建造（見圖11）。

圖11 地聚合物材料用于月球基地原位建造的初步設(shè)想（墻面結(jié)構(gòu)圖引自文獻(xiàn)[26]）Fig.11 Diagram of geopolymer material used for in-situ construction of lunar base (structuregraph collected from Ref.[26])

綜合以上對(duì)利用月球資源研制地聚合物的可能性、地聚合物材料在月球環(huán)境下的性能表現(xiàn)、地聚合物材料作為月球基地建筑材料的可行性分析，以及3D打印地聚合物材料的可行性分析，可知：地聚合物基月球混凝土所需原材料90%以上可取自月球原位資源，并在月球環(huán)境下具有良好的耐極端環(huán)境性能，這為地聚合物材料用于月球基地建造提供了優(yōu)勢(shì)與潛能。3D打印地聚合物基月球混凝土研究可從以下3方面展開：

1）月壤特性的研究和模擬月壤的配制

月壤特性的分析是一切與月壤相關(guān)科學(xué)活動(dòng)的前提。月球探測(cè)任務(wù)所取回的月壤樣本十分珍貴，故月壤相關(guān)研究主要使用月壤模擬物?？茖W(xué)研究任務(wù)及目標(biāo)的不同，對(duì)月壤研究的側(cè)重點(diǎn)也不同。比如，用于月面車輛力學(xué)試驗(yàn)研究的模擬月壤，側(cè)重于模擬月壤的比重、內(nèi)摩擦力、承壓特性等物理力學(xué)特性[27]。模擬月壤的配制應(yīng)根據(jù)科學(xué)研究目標(biāo)的不同有所側(cè)重，使得在地面開展模擬研究的結(jié)果能夠適用于真實(shí)月壤。用于月壤地聚合物材料研究的模擬月壤，應(yīng)從巖石學(xué)和礦物學(xué)角度出發(fā)，關(guān)注月壤的化學(xué)成分、礦物組成、粒徑分布等特性。

2）面向月球環(huán)境的高性能地聚合物材料的研制

高性能地聚合物材料的研制是地聚合物材料用于月球基地建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。高性能地聚合物材料應(yīng)符合以下3點(diǎn)要求：一是保證原位資源的最大利用率。地-月運(yùn)輸成本高昂，月球基地建筑材料應(yīng)盡可能使用月球資源，因此地聚合物材料的研制應(yīng)在保證服役性能的前提下，確定最優(yōu)配比，爭(zhēng)取最大程度地利用月球資源。二是實(shí)現(xiàn)3D打印原位建造。3D打印技術(shù)是未來月球基地建設(shè)工程的發(fā)展方向，研制出適用于3D打印的月球基地建筑材料則是必然趨勢(shì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，要實(shí)現(xiàn)地聚合物材料用于月球基地建造的設(shè)想，3D打印月壤地聚合物材料的研究極為必要。三是適應(yīng)月球極端環(huán)境。現(xiàn)階段模擬月壤地聚合物性能的研究多集中于其在單一月球環(huán)境因素下的適應(yīng)性，但真實(shí)月球環(huán)境是復(fù)雜的，因此，未來應(yīng)注重多重月球環(huán)境因素耦合下月壤地聚合物成型體的性能表現(xiàn)，關(guān)注微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的演變過程。

3）適用于月球環(huán)境的3D打印設(shè)備研發(fā)

打印材料是3D打印技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，打印設(shè)備是3D打印的技術(shù)前提。月球的特殊環(huán)境會(huì)對(duì)設(shè)備的可靠性造成影響——高真空環(huán)境會(huì)引起機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)磨損、黏著、疲勞等；帶有靜電的月塵會(huì)附著在機(jī)構(gòu)的表面，引發(fā)機(jī)構(gòu)磨損、卡死等現(xiàn)象[28]。因此，3D打印設(shè)備的研發(fā)既需要考慮與打印材料的匹配性，又要充分考慮月球環(huán)境因素的影響。

4 結(jié)束語

本文提出了地聚合物材料用于月球3D打印原位建造的初步設(shè)想。從原位利用月壤入手，探討了地聚合物基月球混凝土作為月球基地建筑材料的可行性及其月球環(huán)境適應(yīng)性?；跀D出打印和粉末打印2種3D打印成型工藝，分別闡述了3D打印地聚合物的可行性，結(jié)果表明，3D 打印技術(shù)中的輪廓打印工藝和D型打印技術(shù)有望用于空間建造。從月壤特性研究、高性能地聚合物研制和3D打印設(shè)備研發(fā)等方面，展望了地聚合物材料用作月球基地建筑材料的研究方向。但此設(shè)想尚處于概念設(shè)計(jì)階段，仍需要進(jìn)一步的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。