月球风化层粉末铺展的离散元模拟与实验研究：复合铺展策略优化及低重力环境适应性分析

本研究针对月球基地建设中粉末床熔融(PBF)技术面临的月球风化层(LR)粉末铺展难题，通过离散元法(DEM)构建不规则微米级LR颗粒模型，系统探究刮板/滚轮单/复合铺展参数对粉末床孔隙率与表面粗糙度的影响。研究发现采用刮板预沉积的复合铺展策略可使孔隙率较单一铺展降低8.9-14.27%，为月球低重力环境下高精度粉末床制备提供关键技术支撑。

　　

随着深空探测技术的快速发展，月球基地建设成为各国太空计划的核心目标。然而，利用原位月球风化层(LR)进行粉末床熔融(PBF)增材制造时，不规则微米级颗粒导致的粉末床高孔隙率、表面粗糙等问题严重制约成形样件的机械性能。传统研究多聚焦球形金属粉末，对LR这种具有复杂形貌、强粘附特性的颗粒缺乏系统研究，特别是在月球低重力环境下的铺展机理更属空白领域。

中国研究人员通过离散元法(DEM)构建了高保真LR颗粒模型，创新性地提出刮板预沉积+滚轮复合铺展策略。研究发现：在刮板倾角60°、滚轮直径4 mm、铺展速度0.02 m/s、层厚0.75 mm的最优参数组合下，复合铺展粉末床孔隙率较单一铺展降低8.9-14.27%，表面粗糙度改善26.67%。该成果为月球基地建设提供了关键工艺参数，论文发表于《Powder Technology》。

研究采用DEM数值模拟与实验验证相结合的方法。首先通过多粒子堆积算法重构LR三维形貌，建立考虑范德华力、库仑力的颗粒接触模型。采用正交试验设计分析刮板角度、滚轮直径等单因素影响规律，进而研究刮板/滚轮不同组合时序的复合铺展效果，最后模拟1/6地球重力条件下的铺展过程。实验通过休止角测试和堆积密度测量验证模型准确性。

单铺展参数优化
模拟显示刮板倾角60°时颗粒流动最均匀，滚轮直径4 mm可平衡压缩力与剪切力。低速铺展(0.02 m/s)减少颗粒飞溅，0.75 mm层厚既能保证成形效率又避免"墙效应"缺陷。

复合铺展机制
刮板预沉积形成致密底层，后续滚轮碾压使孔隙率较滚轮预沉积降低14.42%。时序分析表明刮板先行可破碎颗粒团聚体，而滚轮优先会导致表层颗粒二次团聚。

低重力适应性
月球重力下颗粒间粘附力占比增大，但复合铺展仍能维持孔隙率<30%。研究提出需将铺展速度降至0.015 m/s以抵消重力减小的影响。

该研究首次系统揭示了LR粉末在复合铺展过程中的颗粒重组机制：刮板预沉积通过剪切作用破坏颗粒链状结构，滚轮后续碾压促进三维紧密堆积。相比传统单铺展方式，复合策略在保持成形效率的同时显著提升粉末床质量，为月球原位资源利用提供了可工程化的解决方案。特别值得注意的是，研究建立的DEM模型能准确预测低重力环境下颗粒行为，这对未来月球表面自动化施工装备开发具有重要指导价值。