摘要

面向月球基地原位建造场景，本文以BH-1（北航一号）模拟月壤为前驱体制备3D打印地聚合物，系统研究水胶比、打印温度和外加剂对可挤出性、可建造性与施工时限的影响，并评估了打印路径及加载方向对硬化性能的作用。结果显示，在0.32水胶比、80 °C加热条件下，无需外加剂即可调控模拟月壤地聚合物墨水的可打印性；而添加0.3%触变剂与0.5%聚丙烯纤维，可在20 °C条件下延长施工时限。经模拟月面环境养护72 h后，材料最高抗折强度和抗压强度分别达到4.1 MPa和48.1 MPa，展现出月面自动化建造的潜力。

关键词

月面建造；模拟月壤；地聚合物；3D打印；流变学

研究背景

月球基地建设需要在极端环境下实现低成本、高自动化施工。将月壤作为原位资源转化为建材，可显著减少从地球运输材料的质量；而3D打印具有无需模板和劳动力需求低等优势。月壤地聚合物利用月壤中丰富的SiO₂和Al₂O₃，兼具力学强度、隔热与防辐射潜力，是月面基础设施自动化建造的重要候选路线。

核心观点

本研究围绕“能否用模拟月壤直接打印出稳定、可承载构件”展开。首先，化学组成、矿物相、反射谱和微观形貌分析表明，BH-1模拟月壤与月球样品具有较高相似性，为地聚合反应和材料替代提供基础。其次，将可打印性拆解为可挤出性、可建造性和施工时限，并建立其与流变参数的对应关系：动态屈服应力τ0和塑性黏度µ主要控制挤出难易，静态屈服应力τs及其增长速率反映层间堆叠能力。温度试验显示，升温会加速地聚合反应，使τs快速增长；在0.32水胶比、80 °C条件下，打印浆体可在不添加外加剂的情况下获得良好可建造性，同时料仓内浆体在低温与螺杆剪切作用下保持可挤出状态，这为降低月面施工物资运输成本提供了思路。

图1.不同水胶比下模拟月壤地聚合物的可打印性

图2.可挤出性与流变参数的关系

针对月面环境波动，研究提出外加剂方案：0.3%触变剂调控流变阻力，0.5%聚丙烯纤维增强静态屈服应力。该方案使混合料在20 °C下开放时间超过40 min，兼具操作余量与成型稳定性。最后对比五类填充路径，45°/-45°直线填充综合强度最佳；打印件存在明显力学各向异性，Z向加载强度最高；论文还展示了异形空心结构打印过程，说明该材料体系不仅能制备标准试件，也具备打印月面遮蔽体或构件的雏形能力。

图3. 3D打印模拟月壤地聚合物呈现各向异性

图4. 3D打印异性结构

5结论与展望

研究证明，BH-1月壤模拟物基地聚合物可通过“打印仓温度调控”或“少量外加剂调控”获得满足3D打印需求的流变窗口，并在模拟月面环境固化后保持较好的力学性能，为利用月球原位资源开展自动化建造提供了可行材料方案。本研究不仅服务于月球基地建设中就地取材的关键需求，也为未来月面道路、着陆平台、防护结构和居住单元等基础设施的智能建造奠定了实验基础。

面向未来，仍需在多类型月壤模拟物、真实月壤样品、热真空循环、辐照环境和大尺度连续打印条件下开展系统验证，并进一步降低碱激发剂与外加剂的地球携带成本，推动月面建造技术从材料可行性走向工程应用。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fsce/EN/10.1007/s11709-023-0003-0