论文标题： Properties and Characteristics of Regolith - Based Materials for Extraterrestrial Construction

期刊：Engineering

作者：周诚, 高玉月, 周燕, 佘伟, 史玉升, 丁烈云, 缪昌文

发表时间： June 2024

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.11.019

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近日，中国工程院院士、华中科技大学国家数字建造技术创新中心教授丁烈云，以及中国工程院院士、东南大学教授缪昌文，共同率领研究团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Properties and Characteristics of Regolith - Based Materials for Extraterrestrial Construction（面向地外建造的星壤基材料性能与表征）”的综述论文。此论文的第一作者是周诚教授与高玉月博士生，通讯作者为丁烈云院士和缪昌文院士。

人类深空探测的核心目标已从“认识深空”逐渐转变为“认识与利用并重”，地外基地建设成为历史必然。目前，我国正在实施探月工程四期，2028年前后嫦娥8号将开展月球原位资源利用试验，并构建月球科研站基本型。其中，原位资源利用（In Situ Resource Utilization, ISRU）技术因能减少从地球运输的资源，提高深空探测效率，被世界航天强国列为重点发展方向。地外星壤作为原位资源利用的重要物质基础，可通过改性聚合、烧结熔融等方法固化成形为星壤基材料及结构构件，从而支撑深空探测的可持续发展。

然而，地外建造面临着与地球上不同的大气、重力、温度、辐射、磁场、震动等极端环境条件，这被Science、Nature等列为重大科学和技术挑战。面向地外建造的星壤基材料关键工程性能是什么，如何准确表征并进一步提升这些性能，以满足极端环境下地外建造与长期服役的需求，受到了学术界的广泛关注与讨论，已成为地外建造和先进工程材料交叉领域的研究前沿。

图1. 地外星壤基材料的关键工程性能

研究团队系统梳理与总结了地外星壤基材料关键工程性能及其表征的研究进展，分析了星壤基材料的典型原位固化成形方法，阐明了地外星壤基材料的三大关键工程性能，即力学性能、热学 / 光学性能以及辐射屏蔽性能。

在力学性能方面，团队研究了材料的抗压、抗弯和抗拉强度，冲击抗力，硬度和疲劳行为等。烧结样品的机械性能通常比混凝土样品更好，例如镁混凝土和数字光处理（DLP）在强度方面表现出色，而聚合物混凝土和太阳能烧结的性能则相对较差。

在热学和光学性能方面，良好的热学性能对于维持结构内部温度稳定至关重要，具有低导热率、高比热容和低热扩散率的材料能够减少热应力和热疲劳。同时，材料的光学性能也会影响结构温度，具有选择性吸收能力的材料适合作为储能材料。

在辐射屏蔽性能方面，基于星壤的材料能够有效地屏蔽质子、中子和重粒子辐射。例如，深度为 50 至 100 厘米的地质聚合物混凝土能为宇航员提供足够的辐射防护，而月球风化层对中子的屏蔽能力与铝相似。

同时，研究团队重点凝练了目前表征地外星壤基材料关键工程性能面临的主要挑战，包括如何全面、长期与真实地表征地外星壤基材料关键工程性能，并展望了未来的研究方向，包括多物理场耦合条件下的高通量表征方法、极端环境下的加速寿命试验与地外高保真原位试验及测试等。

图2. 月球居住区建筑示意图：（a）预制组件；（b）3D打印

为此，华中科技大学国家数字建造技术创新中心申请了中国空间站科学实验和技术试验项目并获得立项，将开展模拟月壤烧结样品的空间站舱外暴露实验并研究其长期服役性能，进一步促进地外建造和先进工程材料交叉领域的发展。

该研究工作得到了国家重点研发计划项目（2023YFB3711300, 2021YFF0500300）、中国工程院战略研究与咨询项目（2023-XZ-90, 2023-JB-09-10）的大力支持。

文章信息：

Properties and Characteristics of Regolith-Based Materials for Extraterrestrial Construction

面向地外建造的星壤基材料性能与表征

作者：

周诚, 高玉月, 周燕, 佘伟, 史玉升, 丁烈云, 缪昌文

引用：

Cheng Zhou,Yuyue Gao,Yan Zhou,Wei She,Yusheng Shi,Lieyun Ding,Changwen Miao. Properties and Characteristics of Regolith-Based Materials for Extraterrestrial Construction[J]. Engineering, 2024,37(6):159-181.

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https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.11.019

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