1438 工程科学学报，第43卷，第11期 类产品中最高值.直接利用太阳光聚焦实现月壤 熔融温度为780℃、最高析晶温度为1031℃、完 3D打印增材制造技术也极具发展前景.2017年 全熔化温度为1332℃.故若要用月壤玄武岩制备 ESA通过太阳光聚光设备，在1000℃条件下通过 玄武岩纤维，样品的加热温度应高于1332℃、纤 逐层覆土的方式制备了模拟月壤砖，证实了太阳 维成型温度应比析晶温度高80℃左右B中国科 能聚光打印的可行性2增材制造技术和太阳能 学院新疆理化技术研究所研究了利用月壤材料制 直接聚焦技术的结合可能发展为未来月球基地建 备连续纤维的可行性，并利用模拟月壤制备出单 设的重要技术支撑，未来将成为月球资源原位利 丝拉伸强度超过1400MPa的月壤基连续纤维，其 用技术的重要组成部分 强度接近目前商业化的玄武岩纤维材料上述 3D增材制造技术可用于各类复杂形状零部件 研究结果证实，以月壤为原料可获得连续、直径可 的制造，也可制备各类月壤砖.但3D增材制造技 控的纤维材料.得到的纤维有望通过复合材料制 术所得烧结制品存在整体度差、强度较低、生产 造技术进一步制成纤维增强复合材料以满足基地 率低等缺点.目前对于成型后制品缺陷的形成原 建设中一些高强度功能材料的需求，展示了重要 理还缺乏相应的研究.当前已发展的3D打印技术 的研发和应用价值.从当前研究发展情况看，后续 通常需要较为复杂的机械系统、光电系统和能量 对于在月球特殊环境纤维制备过程中的能耗、成 转化系统等.开发更加简洁的设备和高效的技术 纤设备的设计与系统集成，以及月壤纤维与基体 方案是当前月壤3D打印技术的重点发展方向 间相互作用等方面的研究将可能成为该领域的研 3.1.3直接熔化月壤制备玻璃纤维 究重点 直接烧结月壤成型和3D月壤增材制造的研 究虽然取得了一定的进步，但由于实际的月壤成 Wire-drawing bushing 分复杂，在烧结、熔融过程中可能发生一系列物 Regolith 理、化学变化，这给控制烧结条件带来了困难，从 Heating Coating 而导致产物强度难以提升.已有的研究显示，烧结 Glass device 模拟月壤制备出的建材目前只能达到高强度混凝 Fast-cooling Concentrator 土建材力学性能的一半左右.此外，月球昼夜温差 device 极大、太阳风、宇宙辐射强烈等恶劣环境因素对 Batch-type furnace Drawbench 基地建材提出多方面要求，单一的月壤烧结制品 难以满足 Drawing furnace device 复合材料是由基体和增强相组成的二元或多 图1月壤玄武岩纤维制备示意图 元体系，其组成材料在性能方面具有相互增强和 Fig.I Schematic diagram of the preparation of the soil basalt fiber 协同效应，具有轻质、高强度、易于模块化制作等 3.1.4小结 优点.纤维材料是纤维复合材料的关键组成部分， 月壤材料化成型方面，目前在各类成型工艺 在复合材料中起着增加强度和改善性能的作用. 上均取得了一定程度的突破和进展.当前急需解 玄武岩纤维是一种以玄武岩矿石为原料生产的高 决的重点问题是成型工艺以及材料对于月球特殊 性能纤维材料，具有力学性能好、使用温度范围 空间环境的适应性和实用性.表5对以上三种技 广、耐酸碱腐蚀、绝热隔音等优异性能.目前在地 术的主要工艺过程、技术特点等进行了归纳总结. 球上，玄武岩纤维已经在桥梁工程建筑等领域得 3.2提取冶金 到了广泛的应用，月球表面分布有大量的玄武岩 3.2.1化学介质还原法 质月壤，若能将其利用起来制备出玄武岩纤维，就 化学介质还原法利用还原媒介在一定条件下 能满足月球基地建设中在一些结构和功能方面的 对月壤中的氧化物成分进行还原.研究中使用的 性能需求.已提出的月壤基连续纤维制备方案的 还原介质主要包括氢气、甲烷等碳基燃料以及卤 过程示意图如图1所示四，其基本过程分为两步， 素气体等，并根据还原介质的不同研发了对应的 首先将模拟月壤熔融并快速冷却以获得不含结晶 方法和设备 相的玻璃体，其后粉碎玻璃体并在连续纤维拉丝 前期探月发现，月球两极的一些区域分布着 熔炉中拉丝成型.童庆等研究了模拟月壤差示 水资源B.水通过电解可以得到的氢气.Carr响在 扫描量热分析(DSC)曲线，发现模拟月壤的初始 1963年提出了氢气还原循环利用工艺，其具体类产品中最高值. 直接利用太阳光聚焦实现月壤 3D 打印增材制造技术也极具发展前景. 2017 年 ESA 通过太阳光聚光设备，在 1000 ℃ 条件下通过 逐层覆土的方式制备了模拟月壤砖，证实了太阳 能聚光打印的可行性[28] . 增材制造技术和太阳能 直接聚焦技术的结合可能发展为未来月球基地建 设的重要技术支撑，未来将成为月球资源原位利 用技术的重要组成部分. 3D 增材制造技术可用于各类复杂形状零部件 的制造，也可制备各类月壤砖. 但 3D 增材制造技 术所得烧结制品存在整体度差、强度较低、生产 率低等缺点. 目前对于成型后制品缺陷的形成原 理还缺乏相应的研究. 当前已发展的 3D 打印技术 通常需要较为复杂的机械系统、光电系统和能量 转化系统等. 开发更加简洁的设备和高效的技术 方案是当前月壤 3D 打印技术的重点发展方向. 3.1.3    直接熔化月壤制备玻璃纤维 直接烧结月壤成型和 3D 月壤增材制造的研 究虽然取得了一定的进步，但由于实际的月壤成 分复杂，在烧结、熔融过程中可能发生一系列物 理、化学变化，这给控制烧结条件带来了困难，从 而导致产物强度难以提升. 已有的研究显示，烧结 模拟月壤制备出的建材目前只能达到高强度混凝 土建材力学性能的一半左右. 此外，月球昼夜温差 极大、太阳风、宇宙辐射强烈等恶劣环境因素对 基地建材提出多方面要求，单一的月壤烧结制品 难以满足. 复合材料是由基体和增强相组成的二元或多 元体系，其组成材料在性能方面具有相互增强和 协同效应，具有轻质、高强度、易于模块化制作等 优点. 纤维材料是纤维复合材料的关键组成部分， 在复合材料中起着增加强度和改善性能的作用. 玄武岩纤维是一种以玄武岩矿石为原料生产的高 性能纤维材料，具有力学性能好、使用温度范围 广、耐酸碱腐蚀、绝热隔音等优异性能. 目前在地 球上，玄武岩纤维已经在桥梁工程建筑等领域得 到了广泛的应用. 月球表面分布有大量的玄武岩 质月壤，若能将其利用起来制备出玄武岩纤维，就 能满足月球基地建设中在一些结构和功能方面的 性能需求. 已提出的月壤基连续纤维制备方案的 过程示意图如图 1 所示[32] ，其基本过程分为两步， 首先将模拟月壤熔融并快速冷却以获得不含结晶 相的玻璃体，其后粉碎玻璃体并在连续纤维拉丝 熔炉中拉丝成型. 童庆等[33] 研究了模拟月壤差示 扫描量热分析 (DSC) 曲线，发现模拟月壤的初始 熔融温度为 780 ℃、最高析晶温度为 1031 ℃、完 全熔化温度为 1332 ℃. 故若要用月壤玄武岩制备 玄武岩纤维，样品的加热温度应高于 1332 ℃、纤 维成型温度应比析晶温度高 80 ℃ 左右[34] . 中国科 学院新疆理化技术研究所研究了利用月壤材料制 备连续纤维的可行性，并利用模拟月壤制备出单 丝拉伸强度超过 1400 MPa 的月壤基连续纤维，其 强度接近目前商业化的玄武岩纤维材料[32] . 上述 研究结果证实，以月壤为原料可获得连续、直径可 控的纤维材料. 得到的纤维有望通过复合材料制 造技术进一步制成纤维增强复合材料以满足基地 建设中一些高强度功能材料的需求，展示了重要 的研发和应用价值. 从当前研究发展情况看，后续 对于在月球特殊环境纤维制备过程中的能耗、成 纤设备的设计与系统集成，以及月壤纤维与基体 间相互作用等方面的研究将可能成为该领域的研 究重点. Regolith Heating Batch-type furnace Fast-cooling device Glass Wire-drawing bushing Coating device Concentrator Drawbench Drawing furnace device 图 1    月壤玄武岩纤维制备示意图[32] Fig.1    Schematic diagram of the preparation of the soil basalt fiber[32] 3.1.4    小结 月壤材料化成型方面，目前在各类成型工艺 上均取得了一定程度的突破和进展. 当前急需解 决的重点问题是成型工艺以及材料对于月球特殊 空间环境的适应性和实用性. 表 5 对以上三种技 术的主要工艺过程、技术特点等进行了归纳总结. 3.2    提取冶金 3.2.1    化学介质还原法 化学介质还原法利用还原媒介在一定条件下 对月壤中的氧化物成分进行还原. 研究中使用的 还原介质主要包括氢气、甲烷等碳基燃料以及卤 素气体等，并根据还原介质的不同研发了对应的 方法和设备. 前期探月发现，月球两极的一些区域分布着 水资源[35] . 水通过电解可以得到的氢气. Carr[36] 在 1963 年提出了氢气还原循环利用工艺，其具体 · 1438 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期