仿生結構設計結合3D列印製備地聚物復合材料，為未來月球基地建造提供新構想
本文來源於：特陶人
「地球是人類的搖籃，但是人類不可能永遠生活在搖籃里」。這句話揭示了人類和地球的關係。月球作為距離地球最近的天體，具有可接近性好、資源可利用性高等優點，成為多數國家開展星際探索的首選目標。月球基地建造對保障月球探測活動安全、提供月球表面科研基礎設施等方面具有重要意義，並可作為空間技術試驗點、星際探索中轉站乃至軍事戰略基地，因此美國航天局、中國航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA)、俄羅斯聯邦航天局等主要航天機構均提出在2030年前後建設月球基地的願景。然而由於將地球材料進行星際運輸的成本極高且風險極大，因此原位資源利用 (ISRU) 是實現月球基地建造的首選技術。地質聚合物 (地聚物) 是由含矽、鋁、氧等元素的活性非晶礦物粉體在鹼激發溶液中發生一系列的物理化學反應而生成，多個研究表明月壤是合成地聚物的理想原材料，因此地聚物被認為是可實現月壤原位資源利用並最終達成月球基地建造的理想材料。
自然界中的生物結構經過數百萬年的進化過程，已適應生存需求並形成了輕質、高強度、韌性及抗損傷的獨特結構特性。受植物莖稈多孔夾層結構啟發，近期哈爾濱工業大學材料科學與工程學院特種陶瓷研究所的賈德昌教授/何培剛研究員團隊聯合義大利帕多瓦大學Paolo Colombo教授創新性將仿生結構設計和3D列印相結合用於模擬月壤基地聚物材料 (HIT-LRS-1 GP) 的製備，發現這些基於仿生結構的地聚物構件均具有良好的抗損傷能力和力學性能的各向異性，並通過原位壓縮試驗和有限元分析揭示了其與結構相關的斷裂機制。
/ 結果與討論
結果表明，所合成模擬月壤 (HIT-LRS-1) 在物相組成、元素組成、粒度等多方面與實際月壤存在高度相似性，可發生地質聚合反應生成地聚物材料，並通過流變調控可實現高精度直寫成型。通過優化纖維含量、長度與3D列印噴嘴直徑等參數，碳纖維可在擠出方向上呈現出優異的定向排列，從而提高地聚物的力學性能，當碳纖維含量僅為1.00 vol%時，對應復合材料的抗彎強度可達41.6 MPa，比純地聚物樣品提升了50.7%。
圖1月球風化層模擬物製備流程示意圖。
圖2 (a) 月球風化層模擬物粉末的XRD結果；(b) 月球風化層模擬物粉末的SEM圖片；(c) 圖 (b) 中全區域元素麵掃；(d) 所製備的月球風化層模擬物粉末的粒度分布。
圖3月球風化層模擬物基地聚物墨水的製備和直寫成型3D列印示意圖。
圖4 (a) 仿生夾層結構靈感來源示意圖及3D列印Csf/QS@HIT-LRS-1 GP夾層結構的結構單元圖；(b) 蜂窩夾層結構的宏觀形貌與微觀結構 (B1)；(c) 三角形夾層結構的宏觀形貌與微觀結構 (B2)；(d) 波浪夾層結構的宏觀形貌與微觀結構 (B3)；(e) 矩形夾層結構的宏觀形貌與微觀結構 (B4)。
圖5 可3D列印墨水的流變參數測定：(a) 表觀粘度隨剪切速率變化曲線；(b) 墨水可列印性的示意圖；(c) 應力隨剪切速率變化曲線；(d) 剪切模量隨振蕩應力變化的曲線。
圖6 纖維隨墨水擠出過程中的定向排布研究：(a) 纖維含量與長度參數對其排布特性影響；(b) 墨水擠出過程中噴嘴內大長徑比短切纖維的定向排布示意圖；(c) 碳纖維含量對復合材料抗彎強度的影響規律；(d) 含有不同碳纖維含量xCsf/20QS@HIT-LRS-1試樣的斷口形貌。
具有蜂窩、三角形、波浪和矩形夾層仿生結構的地聚物復合材料構件在Y軸方向的壓縮強度分別為15.6、17.9、11.3和20.1 MPa，相應的最大斷裂應變可分別達到10.2、6.7、5.8和5.0%；各夾層結構均呈非災難性斷裂的根本原因在於構件受壓時其內部多層單元可以實現逐級壓潰的失效形式。當壓應力自上而下傳遞時時，其內部結構單元可充分吸收能量，並通過單元壁將其分散到整個結構中，進而減輕了衝擊或應力的影響，並有效降低了構件的損傷和破壞。各仿生結構在Z軸方向的抗壓強度明顯高於Y軸方向，上述四種仿生結構的最大抗壓強度可分別達到46.7、26.5、23.8和34.4 MPa，最大斷裂應變依次為12.1、13.7、13.6和13.9%。所列印不同仿生結構地聚物復合材料構件表現出迥異的強度和斷裂行為，可根據實際場合需求靈活選材設計。
圖7 Y軸方向上3D列印1Csf/20QS@HIT-LRS-1 GP夾層結構的力學性能測試：(a) 壓縮過程中四種夾層結構的應力-應變曲線；(b) 四種結構的抗壓強度和最大應變比較；(c-f) 壓縮試驗下不同階段的蜂窩、三角形、波浪和矩形夾層結構樣品的壓縮狀態 (e為應變)
圖8 蜂窩、三角形、波浪和矩形夾層結構在准靜態壓縮過程中的斷裂機制分析：(a) 有限元模擬下不同仿生結構總變形量比較；(b) 壓縮過程中蜂窩結構的局部應力分析及斷裂蜂窩夾層結構的宏觀形貌；(c) 壓縮過程中三角形結構的局部應力分析及斷裂三角形夾層結構的宏觀形貌；(d) 壓縮過程中波浪結構的局部應力分析及斷裂波浪夾層結構的宏觀形貌；(e) 壓縮過程中矩形結構的局部應力分析及斷裂矩形夾層結構的宏觀形貌
圖9 Z軸方向蜂窩、三角形、波浪和矩形夾層結構在准靜態壓縮過程中的斷裂機制分析：(a) Z軸方向壓縮過程中四種夾層結構的典型應力-應變曲線；(b) Z軸方向壓縮時四種結構的抗壓強度和最大應變比較；(c) 壓縮試驗不同階段下蜂窩夾層結構的宏觀形貌；(d) 斷裂蜂窩夾層結構的宏觀形貌及Z軸壓縮過程中蜂窩夾層結構的局部應力分布；(e) 有限元模擬Z軸壓縮過程中三角形、波浪和矩形夾層結構的局部應力分布
這項研究不僅為地聚物及其復合材料的製備和應用提供了新的思路，還為未來空間探索和月球基地建造的材料選擇提供了更多可能性，這種結合仿生結構設計和3D列印技術的製備技術有望為月球基地建造提供堅實支持。
論文引用信息：
Ma S, Jiang Y, Fu S, et al. 3D-printed Lunar regolith simulant-based geopolymer composites with bio-inspired sandwich architectures. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(3): 510-525. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220700