增材制造月壤原位成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀

吳靈芝 ，尹海清 ,3，張聰 ，張瑞杰 ,3，王永偉 ，姜雪 ,3，曲選輝

（1.北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083；2.北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083；3.北京科技大學(xué)北京材料基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，現(xiàn)代交通金屬材料與加工技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

21 世紀(jì)初，人類迎來了探月高潮[1]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）提出了“建立月球永久根據(jù)地”的計(jì)劃，歐洲航天局（European Space Agency,ESA）也制定了“極光”等計(jì)劃，其主要任務(wù)就是建立月球基地，實(shí)施載人登月計(jì)劃，以月球?yàn)樘鍖?shí)現(xiàn)宇宙探索。月球是離地球最近的星球，是迄今為止人類了解最多的星球[2-3]。月球基地建設(shè)對(duì)人類而言是深空探索的第一步，隨著科技的進(jìn)步，月球探索已成為各國(guó)搶占的重要戰(zhàn)略資源[4]。由于其微重力、強(qiáng)輻射、高真空、交變冷循環(huán)、隕石撞擊等苛刻的環(huán)境[2]，目前月球基地建設(shè)還存在著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，其中節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本和縮短建設(shè)周期是亟待解決的問題。原位資源利用（In-situ Resource Utilization,ISRU）概念最早由NASA 提出。在建設(shè)月球時(shí)，若原材料需要從地球運(yùn)送，則會(huì)產(chǎn)生巨大的運(yùn)輸成本，因此研究月球原位資源利用是相當(dāng)有必要的，就地取材利用月壤進(jìn)行增材制造，對(duì)于月球探索具有重大意義。

增材制造技術(shù)又稱3D 打印技術(shù)，在航空航天、建筑、汽車、電子、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用較多[5-6]，近年來，在載人航天工程等領(lǐng)域增材制造技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)軟件和相應(yīng)的打印系統(tǒng)進(jìn)行操控的。主要方式有熔融沉積成形技術(shù)[7]、選區(qū)激光熔化技術(shù)[8]、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)[9]、光固化技術(shù)[10]、熱噴涂技術(shù)等[11]。目前來看，在航空航天領(lǐng)域及月球原位資源利用領(lǐng)域，增材制造技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景[12]。

本文從增材制造技術(shù)領(lǐng)域多維度梳理和評(píng)價(jià)了國(guó)內(nèi)外深空計(jì)劃-月球基地建設(shè)的研究進(jìn)展以及未來的計(jì)劃，總結(jié)了目前月壤增材制造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和面臨的主要挑戰(zhàn)，為我國(guó)月壤增材制造技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1 月壤定義及成分

月壤，是指月球表層中由礦物顆粒、巖石碎片、玻璃質(zhì)微粒(玻璃狀SiO2——流星撞擊月球造成)等結(jié)構(gòu)松散復(fù)雜的混合物組合而成。月壤中存在著天然的Fe、Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Sb、Re、Ce 礦物顆粒，不富含其他的有機(jī)養(yǎng)分,表面非常干燥。對(duì)比于土壤來說，月壤顆粒更細(xì)小且直徑也不足1 mm。

月壤的早期研究基本上確定了月壤是三類主要物質(zhì)的混合物，即高地巖石和角礫巖、克里普巖(KREEP)以及月海玄武巖和火山玻璃。其次，外部高能粒子可以對(duì)月壤產(chǎn)生重要的影響。月表的真空環(huán)境有利于月壤接受太陽風(fēng)、地球風(fēng)、宇宙射線的輻射及改造。太陽風(fēng)和宇宙射線可以顯著改變?cè)氯赖臍?、碳、氮及稀有氣體(氦、氖、氬)等揮發(fā)分含量和同位素組成[13-14]。此外，微隕石撞擊作用也能夠明顯改變?cè)氯澜M成及性質(zhì)。微隕石撞擊可使月壤發(fā)生翻耕作用，改變?cè)氯赖某墒於燃氨┞赌挲g。并且微隕石這類外來物質(zhì)也可以改變?cè)氯赖牡V物組成和地球化學(xué)成分[15]（圖1）。

圖1 月壤的太空風(fēng)化作用及對(duì)內(nèi)部物質(zhì)示意[12,16]Fig.1 Schematic of space weathering of lunar soil and its effect on internal materials[12,16]

月壤的基本組成顆粒包括：礦物碎屑(含量80%以上的顆粒主要為橄欖石、斜長(zhǎng)石、輝石、鈦鐵礦、尖晶石等)、原始結(jié)晶巖碎屑(玄武巖、斜長(zhǎng)巖、橄欖巖、蘇長(zhǎng)巖等)、角礫巖碎屑、各種玻璃(熔融巖、微角礫巖、撞擊玻璃、黃色或黑色火成碎屑玻璃)、獨(dú)特的月壤組分——粘合集塊巖、隕石碎片等。因此，月壤的化學(xué)成分、巖石類型和礦物組成非常復(fù)雜，幾乎每個(gè)月壤樣品都包括多種巖石和礦物，僅月海玄武巖的就包括極低鈦、低鈦、高鈦、極高鈦四種，TiO2從0.5%～13%不等。

2 月壤與模擬月壤

2.1 月壤的粒徑分布及顆粒形態(tài)

月壤顆粒直徑以小于1 mm 為主，絕大部分顆粒直徑在1～30 mm 之間，中值粒徑在40～130μm 之間，10%～20%的顆粒直徑小于20 μm，平均粒徑為70 μm。不同單元的月壤暴露月表的時(shí)間、受到隕石的撞擊、太陽風(fēng)和高能宇宙射線轟擊的程度不相同，成熟程度也不相同。成熟度越高，平均粒度越細(xì)。一定體積中的大塊巖石的含量就越少。月球的顆粒形態(tài)是高度復(fù)雜的，從球形到極端的棱角狀都存在（表1）。

表1 月壤的顆粒形態(tài)Table 1 Particle morphology of lunar soil

2.2 模擬月壤的化學(xué)組成

從月球采集帶回的真實(shí)月壤數(shù)量十分有限。利用原位資源利用進(jìn)行月球基地建設(shè)技術(shù)研究需要大量消耗月壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此利用地球材料制備與真實(shí)月壤相似的模擬月壤十分必要。世界各地的研究人員一直致力于模擬月壤的開發(fā)研究。目前，典型的模擬月壤包括約翰遜航天中心JSC-1、明尼蘇達(dá)MLS-1、日本富士FJK-1、中國(guó)科學(xué)院CAS-1 和東北大學(xué)的NEU-1 和同濟(jì)TJ-1、南京月壤等，其化學(xué)成分見表2。實(shí)際上，這些氧化物以復(fù)合氧化物的形式存在，如斜長(zhǎng)石/鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)、鈦鐵礦(FeTiO3)等，有些資源還含有極少量的輝石XY(Si、Al)2O6[X=Ca、Na、Fe(二價(jià))、Mg；Y=Cr、Al、Fe(三價(jià))]和橄欖石(Mg2SiO4、Fe2SiO4)等[17]。

表2 月壤及模擬月壤化學(xué)組成/%[17-18]Table 2 Chemical composition of lunar soil and simulated lunar soil[17-18]

錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提供的CUG-1A 是一種模擬月壤，其化學(xué)成分與阿波羅14 號(hào)采樣地點(diǎn)收集的月球風(fēng)化層相同?？紤]到不同采樣區(qū)域的風(fēng)化層成分不同，該CUG-1A LRS 主要用于模擬低Ti 月球土壤，其化學(xué)成分見表2。中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所研制的月壤模擬物CLRS-2 是阿波羅11 號(hào)月壤樣品的模擬物。CLRS-2 是一種高Ti 玄武巖模擬物，包括橄欖石、輝石、鈣長(zhǎng)石和火山玻璃，化學(xué)成分見表2。

另外一些實(shí)驗(yàn)用的模擬月壤材料有位于南京市六合區(qū)的顆粒狀堿性橄欖玄武巖，其宏觀形態(tài)呈現(xiàn)棱角狀、次棱角狀、長(zhǎng)條狀，能夠較好地反映出真實(shí)月壤的顆粒形態(tài)。巖石的礦物組成中，主要包含橄欖石、輝石等，基質(zhì)約含70%斜長(zhǎng)石，其余為填充在斜長(zhǎng)石晶格之間的橄欖石、輝石、不透明鐵質(zhì)等?；瘜W(xué)成分和真實(shí)月壤較為相似[19]。

李峰等[20]以吉林省金龍頂子火山渣為原料研制了一種新型模擬月壤，名為北航-1（BH-1）。通過X 射線熒光光譜、X 射線衍射、掃描電子顯微鏡和反射光譜結(jié)果證實(shí)，BH-1 的化學(xué)礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)與真實(shí)月壤非常相似。

3 模擬月壤增材制造研究現(xiàn)狀

在美國(guó)重返月球計(jì)劃(星座計(jì)劃)支持下，NASA 馬歇爾空間飛行中心圍繞空間原位制造和修復(fù)(In-Situ Fabrication and Repair,ISFR)以及空間原位資源利用(In-Situ Resource Utilization,ISRU)開展了系統(tǒng)研究。ISFR/ISRU 的研究主要圍繞空間制造技術(shù)評(píng)估、空間資源利用可行性分析、地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等開展了系統(tǒng)研究，并針對(duì)電子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)技術(shù)[12]、混凝土擠出(Concrete Extrusion System)工藝、月壤資源利用等增材制造工藝與材料方面開展了系統(tǒng)研究。為了實(shí)現(xiàn)月球風(fēng)化層原位調(diào)幅，必須考慮月球低重力環(huán)境對(duì)調(diào)幅過程的影響。目前我國(guó)已有相關(guān)研究通過飛機(jī)或空間站的拋物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同重力環(huán)境下AM 過程的可行性[2,21]。

3.1 模擬月壤高能束選區(qū)燒結(jié)

NASA 馬歇爾空間飛行中心開展的月壤電子束選區(qū)燒結(jié)工藝可行性研究發(fā)現(xiàn)月壤礦物質(zhì)中包含大量Al、Ti、Fe 等元素，可以直接3D 打印。但所面臨的問題是如何優(yōu)化工藝，獲取足夠強(qiáng)度的零件結(jié)構(gòu)，避免脆性斷裂[22]。為了避免該問題，NASA 研究人員采用Al 粉作為粘結(jié)劑與模擬月壤混合進(jìn)行了電子束選區(qū)燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，鋁粉熔化并對(duì)月壤進(jìn)行了包圍連接，但未見有力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)道[23]。Balla 等[24]利用實(shí)驗(yàn)方法開展了激光凈成形（LENS）月壤3D 打印技術(shù)的可行性研究，通過激光參數(shù)組合設(shè)計(jì)，首次獲得了模擬月壤3D 打印圓柱體結(jié)構(gòu)[25]。Hintze 等[26]分析了燒結(jié)過程中的模擬月球土壤成分，發(fā)現(xiàn)模擬土壤系統(tǒng)中的第一個(gè)熔融成分是玻璃相，其次是鐵礦石，然后是富鈣板巖相，最高熔點(diǎn)為1200 ℃。因此，月球土壤的成分強(qiáng)烈影響著燒結(jié)過程和最終形態(tài)質(zhì)量。除了上述的燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和粉末成分外，粉末粒度分布對(duì)燒結(jié)質(zhì)量也有很大的影響因素。此外，實(shí)際月球土壤的不規(guī)則形態(tài)也對(duì)燒結(jié)過程產(chǎn)生不利影響；因此，在進(jìn)一步研究中包括燒結(jié)和增材制造燒結(jié)，有必要對(duì)燒結(jié)過程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

最近，Yuan 等[27]基于選區(qū)激光燒結(jié)工藝，提出了月球土壤-聚脂酮（PAEK）混合粉末的漸進(jìn)式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。聚芳醚酮是飛機(jī)工業(yè)中的常見物質(zhì)[28]，常見于回收航天器、降落傘和著陸氣囊等，經(jīng)常用來制造印刷材料，它是一種理想的燒結(jié)材料添加劑，可以降低燒結(jié)溫度，節(jié)省大量能源，同時(shí)提高印刷效率。在材料方面，Yuan等[27]通過雜化粉末的界面粘結(jié)機(jī)理，研究了月壤與PAEK 的較佳配比。并且根據(jù)月球表面極端環(huán)境，研究了月球建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其物理映射關(guān)系，利用仿生結(jié)構(gòu)的原理應(yīng)用于月球基地模型設(shè)計(jì)。最后設(shè)計(jì)并制作了較佳波長(zhǎng)激光器和集成驅(qū)動(dòng)器，完成了輕型月球土壤激光打印工具末端的開發(fā)。完成了一項(xiàng)比較綜合且具有一定難度的設(shè)計(jì)，但研究中提到的技術(shù)對(duì)于實(shí)際的月球基地建設(shè)，仍有許多未知可能性。后續(xù)仍需要研發(fā)專門的監(jiān)測(cè)設(shè)備和修理設(shè)備等。

3.2 模擬月壤無機(jī)粘結(jié)劑3D 打印

NASA 馬歇爾空間飛行中心開展了基于月壤的無水水泥(Waterless Concrete)制備與性能、混凝土擠出成形工藝兩方面的研究[22]。NASA 與Toutanji 等[29]合作開展無水水泥的研制與性能評(píng)估工作，月球土壤中的平均S 含量為2.5%[30]，研究團(tuán)隊(duì)采用可從月壤中提取的硫磺作為粘結(jié)劑，與模擬月壤材料混合，制備出一種硫磺水泥，又稱為月壤水泥(Lunarcrete)[23]。與傳統(tǒng)水泥不同，硫磺水泥混合物被加熱到硫磺熔點(diǎn)（140 ℃），然后冷卻，即可達(dá)到其較佳力學(xué)性能，從而獲得一種無水的混凝土結(jié)構(gòu)。因此，硫混凝土被認(rèn)為是火星上建筑的理想材料[31]。但仍存在一些缺點(diǎn)，主要影響因素是硫磺工作溫度的限制。當(dāng)溫度達(dá)到119 ℃時(shí)，硫磺混凝土?xí)刍冃?，而月球表面最高溫度可達(dá)125 ℃，這大大限制了硫磺混凝土的應(yīng)用。此外，高低溫交變環(huán)境下的低耐久性也限制了硫磺混凝土在月球上的應(yīng)用。Montes 等[32]首次模擬月壤聚合物混凝土，并通過改變堿活化劑溶液的濃度和調(diào)整硅鋁摩爾比來調(diào)節(jié)其機(jī)械強(qiáng)度，與此類似的工作還有Hertel 等通過將鋁硅酸鹽骨料與堿性活化劑溶液混合而成[33]。

直接墨水噴?。―irect ink writing，DIW）是一種增材制造技術(shù)，可從噴嘴中擠出材料并逐層形成組件。Taylor 等[34]開發(fā)了一種主要由聚乳酸、乙醇酸聚合物和模擬月球土壤組成的土壤墨水。分別在空氣和氫氣氣氛中進(jìn)行高溫處理后，最終產(chǎn)品中的鈦鐵礦被氫氣還原為金屬鐵，這改善了鐵磁響應(yīng)，并創(chuàng)建了DIW 工藝制造的電磁夾持器，用于在月球上運(yùn)輸和處理物體。然而，DIW面臨著來自液體或膠體漿料擠出以及來自空間輻射的有機(jī)化合物穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。Jakus 等[35]通過DIW 創(chuàng)建了模擬月壤。模擬月壤油墨是通過混合蒸發(fā)劑、增塑劑和從生物廢棄物中獲得的表面活性劑溶劑合成的。用二氯甲烷中的2-丁氧基乙醇（2-Bu）、鄰苯二甲酸二丁酯和聚乳酸-羥基乙酸共聚物包裹土壤顆粒，使其有效結(jié)合。此外，DIW 工藝制造的鏤空結(jié)構(gòu)和復(fù)合油墨的高彈性模量有助于形成獨(dú)特的類似橡膠的循環(huán)機(jī)械性能，其楊氏模量為1.8～13.2 MPa。這些復(fù)合模擬月壤油墨具有在資源有限的環(huán)境中回收的潛力。

盡管DIW 技術(shù)具有流動(dòng)性和材料適用性的優(yōu)點(diǎn)，DIW 對(duì)打印所有類型的漿料具有高度兼容性。但是有機(jī)粘結(jié)劑的儲(chǔ)存和失活以及微重力擠壓方面仍然存在問題。如果能克服該問題，制造的月壤混凝土具有高自固化強(qiáng)度、抗輻射、低消耗等優(yōu)點(diǎn)，這為在月球基地建設(shè)建造大型建筑創(chuàng)造了比較大的潛力。

Zhao 等[36]提出了一種利用月球表層土和聚合物粘結(jié)劑混合粉末制備復(fù)雜幾何形狀三維實(shí)體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的激光輔助AM 工藝，利用PA12/ SiO2混合粉末制備月壤復(fù)合材料。其中，市售熱塑性PA12 粉末(FS3300PA)是一種典型的熱塑性聚合物，用于激光輔助粉末融合系統(tǒng)。PA12 的熔點(diǎn)和堆積密度分別為183 ℃和1.06 g/cm3。選用直徑為PA12 的石英砂(以下簡(jiǎn)稱SiO2)粉體進(jìn)行均勻混合，保證流動(dòng)性，避免團(tuán)聚。通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)優(yōu)化工藝參數(shù)和復(fù)合材料成分，建立月壤復(fù)合材料工藝-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系。復(fù)合材料成分和工藝參數(shù)的較優(yōu)組合為體積混合比50/50，激光功率30 W，掃描速度3 500 mm/s，掃描間距0.2 mm。月壤復(fù)合材料的最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到9.248 MPa，表面變化最大深度為120.79 μm，表明月壤復(fù)合材料的粉末熔合和燒結(jié)質(zhì)量較差。這種激光輔助工藝的有效性和可行性有望成為未來安裝在月球車上的太陽能電池板輕量化設(shè)計(jì)的有效手段。

3.3 模擬月壤噴射成形工藝

歐洲宇航局(European Space Agency，ESA)資助，由英國(guó)Foster+Partners 公司、Monolite 公司、意大利Alta Sp A 公司、比薩大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，專門研究如何就地取材，在月球上建立可供人類居住的基地[23]，該研究團(tuán)隊(duì)采用英國(guó)Monolite 公司研制的基于D-shape 技術(shù)的3D 打印機(jī)實(shí)現(xiàn)穹頂建造，這是一種基于粉末的噴射成形技術(shù)（powder-based ink jetting,PIJ）。該設(shè)備基于一個(gè)6 m 寬的框架，打印機(jī)的噴頭陣列在框架內(nèi)移動(dòng)，每次打印的單層厚度是5～10 mm，將低粘度、高表面張力的液體墨水溶液通過化學(xué)反應(yīng)噴到沙粒狀的建筑材料上，通過化學(xué)反應(yīng)將溶液和沙粒一起粘合起來，凝固后可形成良好拉伸強(qiáng)度和韌性的大理石質(zhì)地結(jié)構(gòu)體，該研究團(tuán)隊(duì)利用模擬月壤進(jìn)行了地面測(cè)試，打印出了蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)件[23]。但這將需要在月球上運(yùn)輸或組裝一個(gè)巨大的打印機(jī)或者采用一個(gè)1～2 m 打印寬度的3D 打印機(jī)配有輪子可進(jìn)行位置變化的打印機(jī)，并且由于實(shí)驗(yàn)所用的有機(jī)粘結(jié)劑在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中會(huì)增加巨大的成本，因此這些因素仍然面臨重要的挑戰(zhàn)。

3.4 模擬月壤立體光刻3D 成形

立體光刻3D 成形也稱光固化3D 打印技術(shù)，基本原理是利用紫外光觸發(fā)光敏樹脂進(jìn)行光聚合反應(yīng)來固化，通過控制液態(tài)材料實(shí)現(xiàn)立體成形[37]。光固化增材制造技術(shù)[38]可分為光固化成形（Stereo Lithography Apparatus，SLA）和數(shù)字光處理技術(shù)（Digital Light Processing，DLP）。數(shù)字光處理(DLP)立體光刻由于其卓越的精度和表面光潔度，有望成為生產(chǎn)復(fù)雜形狀月球風(fēng)化層結(jié)構(gòu)的最有前途的3D 打印技術(shù)之一。中國(guó)科學(xué)院(CAS)的研究人員驗(yàn)證了DLP 立體光刻在微重力條件下的適用性，他們首次在失重條件下進(jìn)行了DLP 立體光刻實(shí)驗(yàn)[2]。在太空制造過程中，可對(duì)印刷漿液進(jìn)行精確控制，從而消除了微重力環(huán)境下粉末漂浮的問題[39]。Liu 等[39]采用CLRS-2 模擬劑通過DLP 立體刻蝕法制備了形狀復(fù)雜的月壤結(jié)構(gòu)，研究了3D 打印層厚度對(duì)月壤結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。此外，Dou 等[40]詳細(xì)討論了燒結(jié)氣氛對(duì)DLP 立體光刻法制備的月壤燒結(jié)樣品的相變、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。在空氣中燒結(jié)的樣品比在氬氣中燒結(jié)的樣品具有更好的力學(xué)性能。月球表面的氣壓在10-10Pa 左右，材料的熔化溫度通常隨著環(huán)境氣壓的降低而降低，因此月球真空環(huán)境中月壤材料的熔化溫度通常低于大氣環(huán)境。但已有研究證實(shí)了從月球風(fēng)化層中提取氧氣的可行性，可為月球風(fēng)化層的燒結(jié)創(chuàng)造一定的氣壓和氧氣氣氛[41]。2018 年，中國(guó)科學(xué)院研究人員利用DLP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全球首例微重力條件下陶瓷材料的3D 打印實(shí)驗(yàn)，證明了該工藝的可行性。中國(guó)航天科技集團(tuán)第五研究院研制的3D 打印機(jī)在全球范圍內(nèi)獨(dú)立完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的首個(gè)樣品打印，驗(yàn)證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D 打印的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。在基于DLP 立體印刷技術(shù)的3D打印中，制備低粘度高固相泥漿至關(guān)重要[42]。先前的研究表明，使用高固體漿料有利于減少燒結(jié)樣品中的缺陷，如開裂和分層。此外，印刷漿液應(yīng)具有較低的粘度，以產(chǎn)生均勻的陶瓷漿液層。然而，由于漿液粘度隨著固體負(fù)荷的增加而增加，很難制備出同時(shí)滿足這兩種條件的漿液。

粉末表面改性是生產(chǎn)具有理想性能的印刷漿料的有效方法。已有研究證實(shí)，粉末表面改性提高了粉末與光敏樹脂的親和度，可有效提高漿料分散性，降低粘度[43]。Liu 等[44]使用硅烷偶聯(lián)劑(KH570)制備了高固相低粘度的Si3N4漿料，表明表面改性劑增強(qiáng)了樹脂中顆粒的分散性，從而改善了陶瓷漿料的流變性、潤(rùn)濕性和穩(wěn)定性，證明了粉末表面改性對(duì)降低陶瓷漿料粘度和提高DLP立體光刻陶瓷組分力學(xué)性能的有效性。Chen 等[42]通過DLP 技術(shù)結(jié)合粉末表面改性，使用硅烷偶聯(lián)劑(KH570)對(duì)模擬月球風(fēng)化層CUG-1A 粉末進(jìn)行改性，以改善光固化漿體的分散性和流變性能，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)后樣品相對(duì)密度為86.47%，抗彎強(qiáng)度為（91.13±5.50）MPa。研究表明，粉末表面改性促進(jìn)了DLP-3D 打印月球風(fēng)化層模擬結(jié)構(gòu)在燒結(jié)過程中的致密化，提高了其抗彎強(qiáng)度。

近期，深空探測(cè)的開展使利用月球原位資源進(jìn)行增材制造的策略備受關(guān)注，不同區(qū)域的月壤具有一定的成分差異，低Ti 月壤的制作方案仍未得到充分研究。Wang 等[45]從低Ti 型模擬月壤的光固化3D 打印和熱處理策略的角度出發(fā)，探究并實(shí)現(xiàn)高尺寸精度和高機(jī)械性能的樣件制造。具體來說，主要基于流變特性測(cè)試和固化深度表征，深入研究了固含量和光引發(fā)劑濃度對(duì)可打印性的影響。隨后，通過進(jìn)一步工藝優(yōu)化，研究人員成功利用光固化3D 打印技術(shù)制造出了層間結(jié)合強(qiáng)度好、尺寸精度高的坯體。此外，本研究還在空氣和氮?dú)鈨煞N保護(hù)氣氛中研究了脫脂升溫速率和燒結(jié)溫度對(duì)樣品的影響，以提高樣品的力學(xué)性能。最終，獲得了彎曲強(qiáng)度為108.8 MPa、抗壓強(qiáng)度為222.8 MPa 的燒結(jié)件，這充分展現(xiàn)了該技術(shù)應(yīng)用于未來太空制造的潛力。

Liu 等[18]利用模擬月壤通過數(shù)字光處理(digital light processing,DLP)將CLRS-2 模擬月球風(fēng)化層粉末與光固化樹脂混合制備打印漿料，顯示出良好的打印性能。分析了模擬材料的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、粒度分布和熱重特性。燒結(jié)試樣的平均抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別為428.1 MPa 和129.5 MPa。在相同的暴露強(qiáng)度條件下，在30、60、150 s 的不同暴露時(shí)間內(nèi)制備了25、50、100μm 三種不同厚度的樣品。光照射引發(fā)光聚合反應(yīng)形成了聚合物框架，將打印樣品在電加熱爐(中國(guó)科晶GSL-1700x)中進(jìn)行燒結(jié)。在空氣氣氛下進(jìn)行兩段熱處理：450 ℃熱解2 h 和1 150 ℃燒結(jié)4 h，加熱速率和冷卻速率均為2 ℃/min。

3.5 模擬月壤選區(qū)激光熔化技術(shù)

選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting,SLM）是一種廣泛應(yīng)用于金屬材料的增材制造技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)制造，可節(jié)約加工周期，降低模具成本等。由于月壤中具備一定的納米鐵顆粒，故可以使用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備[1]。2019 年，北京航空航天大學(xué)的李雯等[1]驗(yàn)證了基于SLM 的模擬月壤3D 打印的可行性[25]。

Reitz 等[46]用Einstein-Elevator 設(shè)備進(jìn)行了不同重力條件下風(fēng)化層模擬的選擇性激光熔化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示樣品的幾何形狀、質(zhì)量和孔隙率均無明顯差異。

王超等[25]利用了CUG-1A 模擬土壤為原料，進(jìn)行了選區(qū)激光熔化實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為激光功率和掃描速度影響激光熔融深度和直徑，是模擬月壤激光熔融成形的關(guān)鍵工藝參數(shù)；模擬月壤熔融成形過程易出現(xiàn)孔洞、球化等典型缺陷,需要進(jìn)一步對(duì)月壤激光相變機(jī)理和上述成形工藝參數(shù)進(jìn)行解析優(yōu)化[34]。

Fateri 等[47]開展了選區(qū)激光熔化（SLM）月壤3D 打印技術(shù)的可行性研究，首先利用一維激光掃描松散模擬月壤粉末，通過熔池穿透深度確定較佳粉末鋪層厚度和關(guān)聯(lián)激光工藝參數(shù)；開展了激光功率、掃描速度、軌跡偏移量、掃描間隔等參數(shù)優(yōu)化，獲得了一定結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的模擬月壤結(jié)構(gòu)件；并以此為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化月壤粉末顆粒粒徑和分布狀態(tài)，獲取了更加復(fù)雜、更高幾何精度和試樣質(zhì)量的成形件，初步驗(yàn)證了SLM 在月壤3D 打印領(lǐng)域的可行性。Goulas 等[48]開展了模擬月壤SLM 實(shí)驗(yàn)研究，首先確定了粉末顆粒粒徑、光束直徑以及最小層厚之間的工藝窗口，以實(shí)現(xiàn)材料在激光成形過程中的充分熔融以及在每層沉積過程中粉末的良好填充行為，并完成了基于模擬月壤粉末材料的多層結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步分別針對(duì)模擬月壤和火壤研究了材料光學(xué)吸收率、高溫穩(wěn)定性以及粉末顆粒的內(nèi)部孔隙對(duì)粉末床成形質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，相對(duì)于火壤，月壤更加適合于粉末床熔合成形[49]。李雯等[1]探索了基于SLM 的模擬月壤3D 打印技術(shù)的可行性，開展了SLM 成形工藝參數(shù)研究，結(jié)果表明，體積能量密度決定成形件質(zhì)量，鋪粉厚度對(duì)成形件力學(xué)性能影響顯著。針對(duì)模擬月壤的選區(qū)激光熔化，合適的打印的工藝參數(shù)選擇對(duì)性能是極為重要的，決定月壤增材制造的關(guān)鍵是激光參數(shù)設(shè)計(jì)、粉末床質(zhì)量控制、構(gòu)建高質(zhì)量熔池等?，F(xiàn)有模擬月壤的選區(qū)激光熔化技術(shù)完成的模擬月壤成形樣品普遍存在疏松、裂紋、孔洞等缺陷，說明月壤材料原位3D 打印成形工藝方法和具體參數(shù)還需深入研究。

3.6 其他方法

Levent 等[50]首次采用冷燒結(jié)工藝(CSP)對(duì)火星模擬月壤(MGS-1)進(jìn)行致密化處理，可作為一種新型的原位資源化利用方式，該技術(shù)使用NaOH溶液作為液體介質(zhì)，在顆粒尺寸小于100 μm 的模擬月壤粉末的致密化過程中，在30 min 內(nèi)，隨著NaOH 濃度從3 M 到10 M 增加(3 M：在混合物中使用3.4 % NaOH；10 M：在混合物中使用9.1%NaOH)，攪拌5 min 和處理溫度(從150 ℃到250℃)的增加，風(fēng)化層壓實(shí)體的相對(duì)密度和力學(xué)性能都有所增強(qiáng)。用模擬火星風(fēng)化層粉末在250 ℃、10 M NaOH 溶液中制備的樣品相對(duì)密度約為88%，抗壓強(qiáng)度高達(dá)45 MPa。

4 結(jié)論與展望

3D 打印成形技術(shù)用于評(píng)估利用月壤建造月球基地，具有很大的潛在可能性。3D 打印技術(shù)利用D-shape、微擠出式“墨水”3D 打印、激光3D 打印等增材制造工藝已成功將模擬月壤原料打印成形。其中D-shape、擠出式墨水3D 打印已被證明微重力對(duì)其打印對(duì)象幾乎沒有影響，可開展模擬空間環(huán)境下高性能聚合物及其復(fù)合材料、無機(jī)非金屬材料、多自由度大尺度制造等3D 打印工藝與裝備；開展面向空間應(yīng)用的輕質(zhì)高性能材料如PEEK、PEI 及其復(fù)合材料的材料體系與配備的3D 打印工藝研究，特別是對(duì)高聚合物基線材和高粘度泥漿。并且同時(shí)應(yīng)探索高性能聚合物及其復(fù)合材料的高效回收利用方法。

為了選擇合適的3D 打印技術(shù)或手段，必須了解打印過程中的各個(gè)因素，例如機(jī)理、原理、材料適用性和打印條件等。針對(duì)選區(qū)激光熔化/燒結(jié)，應(yīng)設(shè)定合理的工藝參數(shù)；使孔隙率降低，提高致密度，提高基本力學(xué)性能；針對(duì)立體光刻3D 成形，需要制備出特殊的光敏樹脂印刷漿液以適應(yīng)微重力環(huán)境，使得在沒有外力施加情況下，狀態(tài)是固體/半固態(tài)，但一旦有剪切力的出現(xiàn)，在局部會(huì)發(fā)生流動(dòng)特性的變換。且粉末表面改性也是有必要考慮的，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，如何施加支撐以及去支撐也值得考慮。

綜上所述，所有增材制造技術(shù)的主要問題是精度，未來的空間制造技術(shù)將趨向于更高的精度、更快的速度和更大的規(guī)模。開展AM 技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，促進(jìn)先進(jìn)材料技術(shù)和適宜設(shè)備的出現(xiàn)，是長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的需要。