研究背景与意义
“地球是人类的摇篮，但是人类不可能永远生活在摇篮里”。这句话揭示了人类和地球的关系。月球作为距离地球最近的天体，具有可接近性好、资源可利用性高等优点，成为多数国家开展星际探索的首选目标。月球基地建造对保障月球探测活动安全、提供月球表面科研基础设施等方面具有重要意义，并可作为空间技术试验点、星际探索中转站乃至军事战略基地，因此美国航天局、中国航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA)、俄罗斯联邦航天局等主要航天机构均提出在2030年前后建设月球基地的愿景。然而由于将地球材料进行星际运输的成本极高且风险极大，因此原位资源利用 (ISRU) 是实现月球基地建造的首选技术。地质聚合物 (地聚物) 是由含硅、铝、氧等元素的活性非晶矿物粉体在碱激发溶液中发生一系列的物理化学反应而生成，多个研究表明月壤是合成地聚物的理想原材料，因此地聚物被认为是可实现月壤原位资源利用并最终达成月球基地建造的理想材料。
自然界中的生物结构经过数百万年的进化过程，已适应生存需求并形成了轻质、高强度、韧性及抗损伤的独特结构特性。受植物茎秆多孔夹层结构启发，近期哈尔滨工业大学材料科学与工程学院特种陶瓷研究所的贾德昌教授/何培刚研究员团队联合意大利帕多瓦大学Paolo Colombo教授创新性将仿生结构设计和3D打印相结合用于模拟月壤基地聚物材料 (HIT-LRS-1 GP) 的制备，发现这些基于仿生结构的地聚物构件均具有良好的抗损伤能力和力学性能的各向异性，并通过原位压缩试验和有限元分析揭示了其与结构相关的断裂机制。
结果表明，所合成模拟月壤 (HIT-LRS-1) 在物相组成、元素组成、粒度等多方面与实际月壤存在高度相似性，可发生地质聚合反应生成地聚物材料，并通过流变调控可实现高精度直写成型。通过优化纤维含量、长度与打印喷嘴直径等参数，碳纤维可在挤出方向上呈现出优异的定向排列，从而提高地聚物的力学性能，当碳纤维含量仅为1.00 vol%时，对应复合材料的抗弯强度可达41.6 MPa，比纯地聚物样品提升了50.7%。
图1月球风化层模拟物制备流程示意图
图2 (a) 月球风化层模拟物粉末的XRD结果；(b) 月球风化层模拟物粉末的SEM图片；(c) 图 (b) 中全区域元素面扫； (d) 所制备的月球风化层模拟物粉末的粒度分布
图3月球风化层模拟物基地聚物墨水的制备和直写成型3D打印示意图
图4 (a) 仿生夹层结构灵感来源示意图及3D打印Csf/QS@HIT-LRS-1 GP夹层结构的结构单元图；(b) 蜂窝夹层结构的宏观形貌与微观结构 (B1)；(c) 三角形夹层结构的宏观形貌与微观结构 (B2)；(d) 波浪夹层结构的宏观形貌与微观结构 (B3)；(e) 矩形夹层结构的宏观形貌与微观结构 (B4)
图5 可打印墨水的流变参数测定：(a) 表观粘度随剪切速率变化曲线；(b) 墨水可打印性的示意图；(c) 应力随剪切速率变化曲线；(d) 剪切模量随振荡应力变化的曲线
图6 纤维随墨水挤出过程中的定向排布研究：(a) 纤维含量与长度参数对其排布特性影响；(b) 墨水挤出过程中喷嘴内大长径比短切纤维的定向排布示意图；(c) 碳纤维含量对复合材料抗弯强度的影响规律；(d) 含有不同碳纤维含量xCsf/20QS@HIT-LRS-1试样的断口形貌
具有蜂窝、三角形、波浪和矩形夹层仿生结构的地聚物复合材料构件在Y轴方向的压缩强度分别为15.6、17.9、11.3和20.1 MPa，相应的最大断裂应变可分别达到10.2、6.7、5.8和5.0%；各夹层结构均呈非灾难性断裂的根本原因在于构件受压时其内部多层单元可以实现逐级压溃的失效形式。当压应力自上而下传递时时，其内部结构单元可充分吸收能量，并通过单元壁将其分散到整个结构中，进而减轻了冲击或应力的影响，并有效降低了构件的损伤和破坏。各仿生结构在Z轴方向的抗压强度明显高于Y轴方向，上述四种仿生结构的最大抗压强度可分别达到46.7、26.5、23.8和34.4 MPa，最大断裂应变依次为12.1、13.7、13.6和13.9%。所打印不同仿生结构地聚物复合材料构件表现出迥异的强度和断裂行为，可根据实际场合需求灵活选材设计。
图7 Y轴方向上3D打印1Csf/20QS@HIT-LRS-1 GP夹层结构的力学性能测试：(a) 压缩过程中四种夹层结构的应力-应变曲线；(b) 四种结构的抗压强度和最大应变比较；(c-f) 压缩试验下不同阶段的蜂窝、三角形、波浪和矩形夹层结构样品的压缩状态 (e为应变)
图8 蜂窝、三角形、波浪和矩形夹层结构在准静态压缩过程中的断裂机制分析：(a) 有限元模拟下不同仿生结构总变形量比较；(b) 压缩过程中蜂窝结构的局部应力分析及断裂蜂窝夹层结构的宏观形貌；(c) 压缩过程中三角形结构的局部应力分析及断裂三角形夹层结构的宏观形貌；(d) 压缩过程中波浪结构的局部应力分析及断裂波浪夹层结构的宏观形貌；(e) 压缩过程中矩形结构的局部应力分析及断裂矩形夹层结构的宏观形貌
图9 Z轴方向蜂窝、三角形、波浪和矩形夹层结构在准静态压缩过程中的断裂机制分析：(a) Z轴方向压缩过程中四种夹层结构的典型应力-应变曲线；(b) Z轴方向压缩时四种结构的抗压强度和最大应变比较；(c) 压缩试验不同阶段下蜂窝夹层结构的宏观形貌；(d) 断裂蜂窝夹层结构的宏观形貌及Z轴压缩过程中蜂窝夹层结构的局部应力分布；(e) 有限元模拟Z轴压缩过程中三角形、波浪和矩形夹层结构的局部应力分布
这项研究不仅为地聚物及其复合材料的制备和应用提供了新的思路，还为未来空间探索和月球基地建造的材料选择提供了更多可能性，这种结合仿生结构设计和3D打印技术的制备技术有望为月球基地建造提供坚实支持。
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