一种受增材制造技术启发的沙子固定方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A Sand-Fixing Method Inspired by Additive Manufacturing

本研究提出利用选择性激光烧结技术制造微棋盘结构固沙方法，通过风洞实验和数值模拟证实其能显著降低风速、减少沙粒移动，为智能化高效固沙提供新思路。

　　

王明龙|徐龙|李晓珍|李慧|王春风|黄占东|蔡晓兵

中国西安交通大学航空航天学院机械结构强度与振动国家重点实验室，西安710049

摘要

人类生存环境正受到风沙侵蚀导致的荒漠化的严重威胁。然而，目前大多数固沙技术存在效率低、成本高和使用寿命短等问题。本文受到选择性激光烧结3D打印技术的启发，提出了一种通过在沙漠表面烧结微米级棋盘格屏障（MCBs）来固定沙粒的方法。实验表明，MCBs能够有效降低沙粒的传输速率和运动速度，从而在阻挡风沙传输和稳定沙层方面发挥重要作用。我们发现了MCBs增强固沙效果的两个主要机制：（1）MCBs显著减弱了近地表区域的气流速度，并增加了边界层的厚度，从而减少了气流对沙粒的牵引力；（2）MCBs稳定了沙粒的表面层，抵消了气流的牵引作用。此外，通过分析力链，我们发现沙粒之间形成了稳定的力系统。本文描述的方法有望为智能且有效的风沙控制提供新的解决方案。

引言

风蚀和沙尘暴是干旱和半干旱地区的主要环境危害[1]，其主要原因是风活动导致沙粒在地面和大气中的移动。这是土壤侵蚀以及沙尘暴形成和发展的关键因素[2]。每年约有1200万公顷的土地遭到荒漠化，严重影响数百万人的生计[3]。这一问题也构成了重大的环境挑战，对生态系统、经济和人类社会产生了广泛影响[4],[5]。人们不断努力寻找更有效和创新的固沙方法，以减轻荒漠化对人类的负面影响。

现有的固沙技术大致可以分为生物、化学和机械方法[6]：生物方法利用适应沙环境的草种，其根系能够固定土壤和地表层，形成覆盖层以减少风蚀，从而增强土壤稳定性[7],[8]；化学方法使用各种土壤粘合剂或聚合物，通过提高土壤颗粒的内聚力或在土壤表面形成硬壳来稳定沙土并防止侵蚀[9],[10]；机械方法则通过部署栅栏、棋盘格屏障和植被屏障等方式来降低风速并稳定沙丘[11],[12],[13]。尽管这些技术已在防止风蚀和改善生态环境方面显示出显著效果[14]，但它们也存在一些局限性。例如，生物方法需要大量水资源，在干旱季节效果较差[15]；化学粘合剂在降解过程中可能释放有害物质[16]；机械固沙方法（尤其是稻草棋盘格屏障）是最常用的方法[17]，但传统的棋盘格屏障由于劳动力和时间成本较高，且寿命有限，需要定期维护[19]。总体而言，现有的固沙方法缺乏与先进技术的结合。

选择性激光烧结是一种用于增材制造的技术，通过熔化或烧结颗粒材料层来制造零件[20]。这项技术可以为固沙提供一种新的方法。传统上的稻草棋盘格屏障通过在相邻屏障之间形成稳定的凹面来固定沙粒[21]，从而减少来流气流对内部沙粒的阻力；同样，激光直接在沙床表面烧结形成的屏障突起较少，烧结层几乎与沙床表面齐平[22],[23]。

如图1所示，本文提出了一种通过在沙床表面直接用激光烧结颗粒来创建MCBs的固沙方法，并分析了烧结网格的形态特征。风洞实验表明，与自然状态相比，MCBs的存在显著减少了来流条件下沙粒在沙床表面的反弹数量。我们定量评估了反弹沙粒的移动速度和高度。数值模拟显示，MCBs降低了沙床表面边界层内的气流速度，从而减少了其对沙粒的牵引力。此外，MCBs在棋盘格结构中相邻屏障之间形成了稳定的力链，对沙粒起到了稳定作用。我们的发现为利用沙粒本身实现智能和无人化的沙粒固定提供了一种潜在方法。

材料与样品制备

实验中使用的沙粒来自中国腾格里沙漠。沙粒主要由中粒度和细粒度颗粒组成，占总量的98.2%。颗粒大小主要集中在0.075至0.25毫米之间，这有助于沙粒在风的作用下移动和堆积[24]。混合沙粒的粒径分布呈对数正态分布，其中最大粒径为0.1毫米。二氧化硅（SiO₂）约占硅砂的95%。

稳定且连续的MCBs结构的形成

我们使用CO₂交叉流激光系统（设备信息和烧结过程参数详见“方法”部分）对沙床表面的颗粒进行了直接激光烧结，以生成MCBs。如图2a所示，激光头安装在沙槽上方指定高度处，由电机驱动，可在水平平面内沿导轨二维移动，沿预定路径烧结沙床表面的颗粒。

结论

受增材制造中激光烧结技术的启发，我们提出了一种利用激光烧结来固化沙床表面颗粒以形成MCBs的固沙方法。研究过程中我们得出以下结论：（1）激光烧结过程中，最高温度超过了SiO₂的熔点，证明激光能够熔化硅砂颗粒。

未引用的参考文献

[43]

CRediT作者贡献声明

蔡晓兵：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目规划、方法论设计、资金筹集。徐龙：实验研究、数据整理。王明龙：撰写——初稿撰写、监督、软件开发、实验研究、数据整理。李慧：实验研究、数据整理。李晓珍：实验研究、数据整理。黄占东：实验研究、数据整理。王春风：实验研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了西安交通大学“青年人才支持计划”的支持。