电子辐照对嫦娥五号月壤模拟物制备纤维的结构与性能影响机制研究

针对月球基地建设中材料需耐受极端辐照环境的挑战，研究人员以自研嫦娥五号月壤模拟物（LRS）制备纤维，系统探究了电子辐照（0.01–104 MeV能级）对纤维结构性能的影响。发现适度辐照剂量（4×1015 e cm-2）可提升纤维拉伸强度并调控[FeO4]四面体网络结构，为月面原位资源利用（ISRU）提供关键材料设计依据。成果发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》。

　　

月球表面严酷的辐射环境如同无形的利刃，时刻威胁着未来月球基地的建设。这里没有地球磁场的庇护，太阳风粒子、宇宙射线和电子辐照（0.01–10⁴ MeV）持续轰击月表，而昼夜近400°C的温差更让传统建筑材料束手无策。更棘手的是，从地球运输建材成本高达每公斤百万美元，迫使科学家将目光投向月壤原位资源利用（ISRU）。但月壤样本极其珍贵，如何用地球模拟材料破解这一难题？中国研究人员给出了创新答案。

中国科学院某研究所（根据国内惯例隐去具体机构名）的Mengzhao Ding团队独辟蹊径，采用自研的嫦娥五号月壤模拟物（LRS）DH-1制备连续纤维，通过精确控制电子辐照剂量（1×10¹⁵至1×10¹⁶ e cm^-2），首次系统揭示了太空电子辐照对月壤纤维结构与性能的调控机制。这项发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》的研究，为月球基地的"就地取材"提供了关键理论支撑。

研究团队运用四大关键技术：① 月壤模拟物熔融纺丝技术制备直径~20μm连续纤维；② 多能级电子辐照模拟太空环境（使用工业电子加速器）；③ 结合FTIR（傅里叶变换红外光谱）、Raman（拉曼光谱）和XPS（X射线光电子能谱）解析硅氧网络结构；④ 采用穆斯堡尔谱（M?ssbauer）定量测定Fe³⁺/Fe²⁺转化。

【表面形态】扫描电镜显示所有辐照纤维均保持光滑圆柱形貌，无晶体析出（图4a-e），但热分析揭示4×10¹⁵ e cm^-2辐照的S4纤维热稳定性最低，这与后续发现的铁价态变化直接相关。

【力学性能】拉伸强度呈先升后降趋势，S4样品强度达峰值。FTIR等光谱分析证实，该变化与桥接氧（BO）含量、聚合度（DOP）变化趋势一致，说明电子辐照通过重构硅氧网络影响力学性能。

【结构演变】穆斯堡尔谱揭示关键机制：S4纤维中Fe³⁺含量最高，促使更多[FeO₄]四面体形成。这种四配位铁结构能强化网络，但过量Fe³⁺会加速晶核生长，解释其热稳定性降低现象。

这项研究首次建立电子辐照剂量-铁价态转化-网络结构强化的定量关系，突破传统伽马辐照研究的局限。特别值得注意的是，适度电子辐照（4×10¹⁵ e cm^-2）可使纤维获得最佳力学性能，这恰与月球表面典型电子通量量级吻合，暗示月壤纤维在自然辐照环境下可能"越用越强"。该发现为设计自适应性月球建筑材料指明新方向，使人类离"用月壤建家园"的梦想更近一步。