利用激光定向能量沉积技术制备月球高地辉长岩风化层模拟物：制备机理与力学性能研究

《Acta Astronautica》：Laser directed energy deposition of lunar highland gabbroic regolith simulants: processing mechanism and mechanical properties

月壤基高岭岩激光增材制造结构演变与性能强化机制研究。通过激光定向能量沉积（DED）处理月壤模拟物CUG-B，发现其硅酸盐网络结构由低聚合向高聚合转变，形成稳定的链状硅酸盐框架，矿物脱水释放水蒸气，经热处理后强度提升至47.56MPa（原始5.32MPa）。揭示了激光处理诱导的结晶相变（霞石、橄榄石、长石）与热处理协同强化的机理。

　　

卢张|彭晨|刘凯|严春泽|孙华军|史玉生

中国武汉理工大学先进玻璃材料国家重点实验室，武汉，430070

摘要

定向能量沉积（DED）是月球高地原位建造的有效方法，但目前对辉长岩风化层模拟物的加工机制尚不清楚，而这正是提高其机械性能的关键。因此，本研究系统地探讨了经过DED处理后的月球高地辉长岩风化层模拟物的微观结构演变，并分析了性能提升的机制。DED处理后，硅酸盐网络结构从低聚合状态转变为高聚合状态，其中原始粉末中的普通辉石和角闪石的链状结构演变为更高聚合度且更稳定的框架硅酸盐结构。在DED过程中，角闪石等矿物会发生脱羟基反应，导致质量损失3.43%并释放H₂O。DED处理后的样品抗压强度达到5.32 MPa。经过热处理后，DED过程中的非晶玻璃相转变为结晶矿物相，如顽火辉石、橄榄石和斜长石，并析出柱状、针状和层状晶体。抗压强度可达到47.56 MPa，几乎是相同能量密度下DED处理样品的24倍。本研究为未来的月球高地建造提供了理论指导和技术支持。

引言

月球基地的建造是月球探索的第一步，在人类太空活动中起着决定性作用。月球土壤作为月球的固有资源，是月球基地原位建造的理想选择[1]、[2]、[3]。然而，月球土壤样本返回任务的成本高达数十亿美元，且带回的月球土壤样本总量极其有限。阿波罗任务收集了约382公斤月球土壤。与此同时，嫦娥五号任务利用无人自动化采样技术成功采集了1,731克月球土壤[4]。由于月球土壤的稀缺性，月球风化层模拟物的制造工艺对未来月球表面的原位建造具有重要意义。

增材制造技术能够定制复杂结构并自动化打印过程，从而满足个性化月球建造的多场景需求[5]、[6]、[7]。应用于月球土壤处理的增材制造技术主要包括粘结剂喷射（BJ）、立体光刻（SLA）、直接墨水书写（DIW）、太阳光烧结（SS）、激光粉末床熔融（LPBF）和定向能量沉积（DED）。Cesaretti等人[8]在真空和大气条件下进行了打印实验，通过将喷射的粘结剂与月球风化层中的金属氧化物反应成功制造了墙体组件，并对其机械性能进行了评估。Isachenkov等人[9]基于槽式光聚合对月球风化层模拟物LHS-1进行了初步磁分离处理，发现去除磁性成分后每层的曝光时间可减少六分之一。处理后的风化层表现出比未经处理的高地风化层更优异的机械性能。Xiao等人[9]通过利用不同溶液中的乳化原理有效解决了浆料中高固体含量与低粘度之间的矛盾，实现了高精度、高性能组件的打印。Taylor等人[11]研究了烧结条件对多孔月球土壤微桁架机械性能的影响，通过直接挤出含有月球风化层模拟物的液态墨水提供了原位微桁架建造的指导。尽管上述增材制造技术能够在某些条件下打印月球风化层模拟物，但它们通常依赖于光敏树脂和粘结剂等添加剂，从而增加了整体成本。相比之下，直接利用太阳光的太阳光烧结技术显示出巨大潜力。Yang等人[12]结合太阳光、柔性光纤束和粉末床工艺，评估了多种工艺参数对成型行为的影响，成功制造出了结构完整、抗压强度为4.25 MPa的样品。然而，对于大规模组件而言，太阳光烧结的层间结合力较弱，机械性能不足，目前尚不适合满足月球建筑结构的工程需求。

在月球表面能源供应稳定且充足的前提下，基于激光的增材制造技术是实现高效原位资源利用的有效方法，主要包括激光粉末床熔融（LPBF）和定向能量沉积（DED）[13]、[14]。关于月球风化层模拟物的LPBF研究主要集中在两个方面：加工可行性和性能优化[15]、[16]、[17]。Goulas等人[18]、[19]、[20]分析了月球土壤模拟物JSC-1A的热行为，发现其重量变化最小且稳定性高。玄武岩月球土壤模拟物JSC-1A成功制造出来，处理后的样品抗压强度达到4.2 MPa。Caprio等人[21]研究了使用LPBF处理高地月球风化层模拟物的可行性，并探讨了加工参数和不同基底材料的影响。在耐火材料上处理的样品抗压强度超过了31.4 MPa。先前的研究[22]比较了LPBF和DED在吸收率、表面质量和分子结构方面的差异，结果表明LPBF存在粗糙度累积问题，影响了粉末的连续性和稳定性，进一步影响了整体效果。DED工艺可以有效减轻循环粉末涂层引起的缺陷，因此成为制造高性能组件的有前景的制造策略。

DED采用同步粉末供给方式。在此过程中，高能激光束引导粉末流进入熔池，随后将原料逐层沉积在基底上完成组件制造。该技术不仅实现了高效的原位资源利用，还为制造复杂形状的组件提供了卓越的设计灵活性。Balla等人[23]使用月球海床土壤JSC-1AC进行了激光工程网状结构实验，验证了无需添加剂即可处理月球风化层模拟物。Chen等人[22]使用DED处理了辉长岩高地月球风化层模拟物，测量得到DED处理样品的弹性模量和硬度分别为80.65 GPa和7.68 GPa。在不同激光功率条件下处理的样品呈现玻璃相，最大抗压强度为2.28 MPa。然而，关于DED的研究仍然有限，DED处理样品的硬度和抗压强度尚不足以满足建筑材料的性能要求，且DED处理后的辉长岩月球风化层模拟物的加工机制仍不清楚。探索如何提高其性能至关重要。

上述研究表明了DED技术在处理月球风化层模拟物方面的潜力。然而，大多数研究集中在探索工艺窗口和优化工艺参数上，对月球风化层模拟物加工机制的研究仍处于初步阶段。同时，不同采样位置的月球土壤成分复杂多变。现有的月球风化层模拟物增材制造研究主要集中在玄武岩和斜长石上，而作为月球高地土壤重要组成部分的辉长岩尚未得到深入研究。为了满足未来月球高地的建造需求，本研究以辉长岩月球风化层模拟物CUG-B为原料，验证了DED实现辉长岩月球风化层模拟物制造的可行性，并深入探讨了CUG-B在不同能量密度下的加工机制。此外，还分析了DED和热处理后的性能提升机制，为未来月球基地的建造提供了理论指导和技术支持。

章节摘录

材料

实验使用了由中国地质大学（武汉）提供的辉长岩月球风化层模拟物CUG-B。为了消除大颗粒对实验的影响并适当提高粉末流动性，使用60目和200目筛子对月球风化层模拟物进行了筛分。根据GB/T 31057.3-2018测试方法，筛分后的月球风化层模拟物的安息角（θ）为35°。安息角介于30°至45°之间，表明

辉长岩月球风化层模拟物的DED加工可行性

考虑到激光头和多通道粉末输送设备的特性，良好的流动性和适当的颗粒大小是防止激光头堵塞的必要条件。通常，评估粉末是否适合DED处理需要评估粉末流动性、激光吸收性能和加工质量。为了系统地评估辉长岩月球风化层模拟物的DED加工可行性，本节研究了三个关键方面

对比评估与潜在应用

本研究验证了在地球条件下DED处理辉长岩月球风化层模拟物的可行性，探讨了热处理后的加工机制和性能提升机制。然而，要在月球表面实现原位资源利用，现有的气动粉末输送方法难以适应月球极端的环境条件，如高真空、低重力和强辐射。因此，迫切需要对

结论

本研究通过DED成功制造出了具有规则几何形状和良好表面形态的样品。通过对DED处理后样品的微观结构和机械性能进行表征，揭示了月球辉长岩风化层模拟物的加工机制和性能提升机制。主要研究结论如下：

(1)

粉末的激光吸收率为50%，颗粒呈角状且细长。

CRediT作者贡献声明

彭晨：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。刘凯：撰写——初稿、方法论、概念构思。严春泽：监督、资源管理、项目协调、资金获取。孙华军：监督。卢张：撰写——初稿、实验研究、数据管理。史玉生：监督

未引用参考文献

[10]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFB3711300）、国家重点研发计划（2021YFB3703100）、国家自然科学基金（52202066）、湖北省本科院校教学改革研究项目（2024104）、武汉理工大学本科教学改革研究项目（W2024001）以及先进玻璃材料国家重点实验室的支持。