面向地外建造的星壤基材料性能与表征

周诚 ,  高玉月 ,  周燕 ,  佘伟 ,  史玉升 ,  丁烈云 ,  缪昌文

工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 173 -197.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 173 -197. DOI: 10.1016/j.eng.2023.11.019
研究论文

面向地外建造的星壤基材料性能与表征

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Properties and Characteristics of Regolith-Based Materials for Extraterrestrial Construction

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摘要

随着深空探测技术的不断发展，地外基地的建设将成为人类深空探索进程中的里程碑。相较于其他建造方法，原位建造技术成本低、效益高，具有更优异的可持续发展潜能。本研究总结与梳理了地外星壤基材料关键工程性能及其表征的研究进展，介绍了十三种典型星壤基材料的原位固化成形方法，系统总结了地外星壤基材料的三大类关键工程性能，即力学性能、热/光学性能以及辐射屏蔽性能，进而分析指出了各类性能的影响因素和优化方法。总体而言，现有的挑战在于如何全面、长期与真实地表征地外星壤基材料的关键工程性能。相应地，建议的未来研究方向包括：多物理场耦合条件下的高通量表征、极端环境下的加速寿命试验与真实地外场景下的原位实验。

Abstract

The construction of extraterrestrial bases has become a new goal in the active exploration of deep space. Among the construction techniques, in situ resource-based construction is one of the most promising because of its good sustainability and acceptable economic cost, triggering the development of various types of extraterrestrial construction materials. A comprehensive survey and comparison of materials from the perspective of performance was conducted to provide suggestions for material selection and optimization. Thirteen types of typical construction materials are discussed in terms of their reliability and applicability in extreme extraterrestrial environment. Mechanical, thermal and optical, and radiation-shielding properties are considered. The influencing factors and optimization methods for these properties are analyzed. From the perspective of material properties, the existing challenges lie in the comprehensive, long-term, and real characterization of regolith-based construction materials. Correspondingly, the suggested future directions include the application of high-throughput characterization methods, accelerated durability tests, and conducting extraterrestrial experiments.

关键词

地外建造 / 性能表征 / 力学性能 / 热学性能 / 光学性能 / 辐射屏蔽性能

Key words

Extraterrestrial construction / Characterization / Mechanical property / Thermal property / Optical property / Radiation-shielding

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周诚,高玉月,周燕,佘伟,史玉升,丁烈云,缪昌文. 面向地外建造的星壤基材料性能与表征[J]. 工程（英文）, 2024, 37(6): 173-197 DOI:10.1016/j.eng.2023.11.019

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1 引言

在过去的一百年里，人类已对月球和火星展开了初步的探索。早期，人类利用轨道环绕技术获取遥感数据，用于推测星体温度[1‒2]、星壤物性[3]等基本信息。随着航天技术的进一步发展，人类实现了地外天体的原位探测。借助科学研究与实验，可实现对地外天体，尤其是对其星壤特性更为具体且深入的理解。截至目前，人类已实现了一系列月表访问任务，包括Apollo计划、Luna计划、Surveyor任务、月船任务、嫦娥任务等。Apollo计划成功实施了载人登月飞行，并进行了现场人类勘查活动。该计划共计带回了约382 kg的月壤样本，样本种类涵盖玄武岩、角砾岩、深成岩、土壤、岩芯等，旨在为进一步的科学研究提供实物依据[4]。与此相类似，嫦娥五号探测任务亦获取并带回了包括铲取与钻取在内的1731 g月壤样品。人类开发的火星车也相继登录火星，包括旅居者号、机遇号、毅力号、祝融号等[5]。当前阶段，世界各国航天机构与主流商业航空公司纷纷提出地外驻留设想，制定月球基地、火星基地等相关建造计划。例如，美国国家航空航天局（NASA）提出Artemis计划[6]，拟建造月球大本营；中国国家航天局[7]和俄罗斯航天局提议建造国际月球科研站，拟打造可扩展、可维护的综合性科学实验设施。

为实现上述目标，各研究机构正积极开发地外建造有关技术。其中，原位建造方法以星壤为主要建造原料，能避免地外运输产生的巨大经济成本，具有较强的可持续发展潜能，是当下的重点研究领域。由于地球上的真实星壤十分珍贵，多所研究机构开发了不同的星壤模拟物，以支持原位建造相关研究。一些模拟物专门用于模拟某份特定的星壤样品，如Olivine Bytownite-1（OB-1）用于模拟Apollo 64500号月壤样品[8]；另一些模拟物则用于模拟某一类别的星壤，如Tongji-1（TJ-1）用于模拟低钛类月壤[9]；还有部分模拟物用于模拟星壤的某项工程性能，如Mojave Mars Simulant（MMS）[10]用于模拟火壤的低吸水率。以星壤模拟物为物质基础，各研究机构相继开发了数十种星壤基材料的制备方法，按成形原理可划分为类混凝土固化星壤基材料和烧结固化类星壤基材料。类混凝土固化星壤基材料主要包括：硫磺混凝土[11]、生物聚合物混凝土[12‒14]、地质聚合物混凝土[15‒16]、聚合物混凝土[17‒18]、硅酸盐混凝土[19‒20]、镁系混凝土[21‒22]等。烧结固化类星壤基材料主要包括：热压烧结材料[23]、微波烧结材料[24‒27]、放电等离子烧结材料（SPS）[28]、激光选区烧结材料[29‒33]、数字光处理材料（DLP）[34]等。除现有的方法以外，诸多新型的成型工艺亦被提出，为地外建造及相关科学研究提供重要基础。

考虑真实地外场景，应根据实际施工要求评估材料性能并相应选择合适的建造材料。这些要求主要来源于极端的地外环境，这可能对材料的制备和应用过程带来挑战。具体来说，极端地外环境包括微陨石、高真空、低重力、大温差、极端辐射等。星壤基材料应为宇航员提供安全稳定的环境。相应地，对建筑材料性能的要求可以分为三类：力学性能、热学与光学性能、辐射屏蔽性能。力学性能包括强度、抗冲击性、硬度和疲劳行为。了解材料的力学性能有助于根据工作需求，即地外结构的应力状态，确定适用材料。常见的测试指标包括抗压强度、抗折强度和抗拉强度，几乎所有星壤基材料都进行了抗压强度测试。对于抗冲击性，Allende等[35]进行了17次超高速撞击实验以获得生物聚合物混凝土中的撞击坑尺寸，撞击体直径约为1~3 mm，速度范围为3~8 km∙s-1；Zheng等[36]测试了熔融月壤样品的纳米硬度；其他研究人员使用硬度计测试了SPS、DLP和激光烧结样品的显微硬度；Su等[37]使用弯曲试验机进行测试，获得了“月球水泥”的疲劳曲线。热学与光学性能对建筑物的宜居性和安全性有显著影响，合理的热膨胀系数可以使结构的热应力处于可接受范围内。Kim等[38]测试了微波烧结星壤样品的热膨胀系数，测试温度范围为-100~200 °C。此外，良好的隔热性能和适当的光吸收性能有助于创造宜居的室内条件。Fateri等[39]测试了各种烧结样品的扩散率、比热容和热导率；Licheri等[28]测试了星壤粉末及其相应的SPS样品的光学性能。辐射屏蔽性能在考虑地外空间极端辐射时起着重要作用，具有良好辐射屏蔽性能的建筑材料可以支持宇航员的长期居住。Montes等[40]进行了模拟研究探讨了地质聚合物混凝土的质子辐射屏蔽性能。对于中子辐射屏蔽，Meurisse等[41]测试了月壤模拟样品，中子通过800 MeV质子的散裂过程产生。对于重离子辐射屏蔽，对真实星壤和星壤模拟物都进行了测试[42]。上述研究的数据为确定建筑材料类型提供了宝贵的参考，具体的性能如图1所示[35‒36,43‒50]。

关于星壤基材料的综述性论文大多侧重于其成型原理或制备过程。尚缺少对建造相关性能的全面分析和比较。为填补这一研究空白，本文对星壤基材料的表征方法及对应性能进行了系统梳理。论文采集范围依据前文讨论的星壤基材料类别来确定。文献计量分析显示，星壤及其模拟物占据了论文数据库中最重要的部分。同时，制备方法，如微波烧结、太阳烧结和数字光处理等也被视为核心内容。此外，材料表征方法及性能指标，例如抗压强度、辐射屏蔽性能和耐久性等，也是构成文献数据库的主要组成部分。

基于现有文献，本研究对不同材料进行了对比分析，对其适用性进行了探讨，并提出了当前面临的主要挑战及未来的发展前景。首先，星壤基材料尚未进行全面的表征。仅有少数研究尝试模拟复杂且极端的地外环境，但这些研究未能实现实时观测与表征。为此，建议采用集成多种载荷的高通量表征方法。其次，由于缺乏实验条件，建筑材料的服役性能评估尚不充分。相较于实际使用涉及的长期性能，实验室条件下短时间内获取的数据显然不足以提供可靠的参考依据。因此，推荐使用加速测试方法来弥补这一不足。最后，为了准确表征材料在极端地外环境中的服役性能，建议在真实地外场景下开展实验研究。

本文剩余部分安排如下：第2节列出并讨论了常见的地外星壤基材料；第3节梳理并比较了星壤基材料的力学性能，包括强度、抗冲击性、硬度及疲劳行为；第4节介绍了星壤基材料的热学、光学性能，并探讨其吸热性、吸光性及热膨胀行为；第5节介绍了星壤基材料的辐射屏蔽性能；第6节讨论了星壤基材料服役性能的影响因素和优化方法；第7节介绍了星壤基材料性能表征的技术挑战和未来研究方向；第8节对本文内容进行了总结。

2 地外建造可行性与地外建造材料

2.1 地外建造可行性分析

迄今为止，月球依然是人类探索最为深入的地外星体，并被视作探索火星的重要基石。考虑到地外运输所涉及的巨大经济成本，提出了基于原位资源利用概念的建设方案。从原料角度来看，地外原位建造方法具有较强的可行性。首先，星壤原料能够有效支持建造活动的开展。星壤与土壤有较为接近的化学、矿物成分，可用于制作类混凝土建材，或烧结/熔化成砖块。星壤中亦可提取建材改性外掺剂的有效成分（如硫和镁），以减少地外运输的压力。星壤还可直接用作地外结构中的辐射屏蔽层和热屏蔽层材料，以保障结构内部稳定性。其次，除星壤外，火星和月球上还可能存在水/冰资源，可以作为地外建材制备的关键原料。有研究认为，水/冰资源可能存在于月球极区[51]以及火星中高纬度的地表土壤下的冰层中[52‒53]。水/冰资源的存在为制备含水混凝土提供了条件。建筑工程所需的能量不仅可由太阳能提供，还可利用氦-3等矿物资源获取。此外，火星大气中的成分亦可转换为可燃性气体，用于能源的生产。

从建造工艺角度来看，既有研究已提出多种地外建造工艺，并初步论证其可行性。常见的地外建造工艺可分为两大类：砌筑拼装工艺[54]与增材制造工艺[55]，如图2 [54‒55]所示。砌筑拼装工艺中，砖块可通过焊接[56]、黏结或拓扑互锁方式[57]被组装在一起，形成整体结构。增材制造工艺包括低温挤出成形工艺与高能束3D打印工艺。低温挤出成形工艺将混凝土浆料或黏合剂浆料逐层沉积以形成结构，包括D形工艺[58‒59]、轮廓工艺[60]等；高能束3D打印工艺使用高能量密度的束流逐层烧结或熔化星壤原料，如激光选区烧结工艺、太阳能烧结工艺等。除上述两大类工艺外，学者们也正开发其他建造工艺，如月壤袋约束等。从工程实施的角度出发，上述技术手段的涌现，极大提高了地外建造的可行性。

众所周知，地外建造面临着与地球上所不同的大气、重力、温度、辐射、磁场、震动等极端环境条件，如图3所示。其中，低重力、高温空、强辐射等环境可能破坏建材养护、成形过程；大温差、高频地震可能引发建材疲劳损伤；微陨石冲击可能直接导致地外结构损毁。综上，在极端且恶劣的地外环境中，建筑材料的性能要求比在地球上更严苛。鉴于此，评估并优化常见星壤基材料的相关性能显得尤为必要。

2.2 地外建造材料

基于原位勘测、采样返回实验及遥感数据，既有研究已初步探明月壤、火壤的物理性质。由于地球上的真实星壤十分珍贵，无法用于破坏性实验，因此不同研究机构开发了多类星壤模拟物。星壤模拟物的制备依托于对真实星壤样本的现有认知，各模拟物依据其目标特性进行专门设计与制备。表1 [8‒10,61‒70]总结了部分月壤、火壤模拟物及其特点。

图4 [71‒72]和表2 [73]展示了月壤、火壤样本及其部分模拟物的粒度分布（PSD）。其中，图4中的数据来自170份来自不同任务、采用不同采样方法提取的真实月壤样本。为了简洁表示，该图只标记了不同任务样本的PSD边界。以阿波罗任务为例，图中分别注明了66075.16号样本与14141.30号样本的PSD曲线，二者分别具有最粗与最细的粒径分布。此外，嫦娥五号任务和Luna-24任务采集的样本数据也被绘制于图4（a）中。火壤样本及其部分模拟物的PSD曲线则被绘制于图4（b）。表2列出了部分月壤模拟物的PSD特征指标，其范围限定于其对应真实样本的属性边界之内。

部分星壤样品及其模拟物的化学、矿物组分被列于表3 [10,61‒63,65‒66,68,70,72‒79]和表4 [69,80‒82]中。整体而言，不同探测任务所得样本的组成成分相似，但也存在差异。在这些样本中可以发现一个共同特征，即SiO2占有较大的比例，这表明星壤在制备建筑材料方面具有潜在价值。针对月壤，其TiO2含量的变化是显著的，这也是区分高钛和低钛类月壤的标准。如表1所示，月壤、火壤模拟物的成分均与实际样本保持高度一致。根据不同的研究或应用目的，模拟物的设计亦有所不同。例如，MLS-1被用于模拟高钛月壤，其TiO2含量显著高于其他月壤模拟物。

如前所述，类混凝土固化和烧结固化是制备地外建造材料的常见工艺。在混凝土固化过程中，星壤是主要成分或集料，可通过添加黏合剂或进行聚合反应来实现黏结。根据其黏合剂组成，类混凝土固化材料可以进行分类：水泥基类混凝土材料（如镁系混凝土[21‒22]、硅酸盐混凝土[19‒20]等）的固化依赖于水泥水化反应[83]；地质聚合物混凝土材料的固化依赖于碱活化反应[15‒16]。此外，还有部分类混凝土材料使用黏结剂黏合骨料，如聚合物混凝土[17‒18]、硫磺混凝土[11]、生物聚合物混凝土[12‒14]等。针对烧结固化技术[84‒86]，星壤颗粒经由热传递及质量传递而聚集。该成型工艺可利用模具或采用增材制造技术来实现，根据其能量来源分类，包括太阳能烧结材料[87‒88]、微波烧结材料[24‒27]、热压烧结材料[23]、放电等离子烧结材料[89]、光固化成形材料[90‒93]和激光选区烧结材料[29‒33]等。除上述常见工艺外，学者们亦致力于开发其他星壤成形工艺，如金属燃烧工艺[94‒95]、自发向上迁移工艺[96]、冷烧结工艺[97]、气溶胶沉积工艺[98]、定向能量沉积工艺[99]、铸造工艺[100‒101]和微生物诱导沉淀工艺[102]等。本研究主要讨论的星壤基材料如图5 [23,34,49,103‒112]所示，其成形工艺的具体说明见表5。

3 地外星壤基材料的力学性能

3.1 抗压、抗折和抗拉强度

地外结构服役过程中，各构件承受着不同范围的压力、拉力或弯矩。为评估结构的可靠性，应准确测试材料的强度。抗压、抗折和抗拉强度可分别通过压缩试验[113]、三点弯曲试验[113]和巴西劈裂抗拉强度试验 [114]来确定。不同研究所采用的试验参数，如加压速率、试样形状等，并非完全一致。表6 [36,38,49‒50,112‒124]总结了既有研究中地外星壤基材料力学性能试验所使用的试样形状、尺寸及其对应的标准。由表6可知，各研究依据不同国家的标准，使用了不同尺寸的圆柱形/棱柱形试样用于加工、测试。因此，不同研究中样本力学性能的对比可能不具备足够的可靠性，试样的尺寸与形状均会对最终测试结果产生影响。

既有研究中报道的地外星壤基材料强度汇总如图6 [34,36,49‒50,113,121,123‒126]所示，仅有进行了抗压强度及抗折强度测试的样品才被整合入该阿什比图中。其具体数值见表7 [11‒12,14,17‒19,23,34,36‒37,47,49‒50,72,87,102,104‒106,109‒110,112‒114,116,122‒133]。由图表可得出以下结论：首先，烧结固化类星壤基材料强度明显优于类混凝土固化星壤基材料，更适宜用作承载构件。例如，混凝土样品的抗压强度介于0.90~76.80 MPa之间，而烧结样品的抗压强度则在2.31~428.10 MPa范围内波动。至于抗折强度，混凝土样品表现出的数值范围为2.30~47.80 MPa，相比之下，烧结样品的抗折强度则介于0.23~129.50 MPa之间。其次，强度最佳的类混凝土材料和烧结类材料分别是镁系混凝土和DLP材料；最差的则是聚合物混凝土和太阳能烧结材料。此外，样品的力学性能会因不同的加工条件而有所不同。最明显的例子是DLP试样，其强度数据跨度极大。合适的气氛环境和烧结温度对材料性能有较大影响。因此，设置适当的制备参数可以显著提高建筑材料的性能。

3.2 抗冲击性

考虑到微陨石撞击的影响，地外星壤基材料应具有一定抗冲击能力。Allende等[134]使用NASA的White Sands装置对生物聚合物混凝土进行了超高速撞击实验，所用设备为0.17口径的两级轻气炮，如图7（a）[134]所示。随着冲击能量的增加，样品损伤逐渐变大，如图7（b）[135]所示。试样中的弹坑被用于三维扫描[135]，以进行进一步数据分析。其中，由于边界干扰问题，具有径向裂纹的样品不能直接使用。在扫描数据的基础上，Allende等使用由美国桑地亚国家实验室[134]开发的冲击物理代码建立了超高速撞击实验的模拟模型。该模型成功地模拟了真实实验情况，且能够对抛射物尺寸和速度等参数进行外推。此外，Allende等[35]还推导了其解析幂律关系，可根据弹丸特征预测弹坑尺寸，即以弹丸射弹的直径、密度、速度作为模型的输入，预测弹坑的体积和直径。该研究所开发的模型能够准确预测实验结果，可作为优化材料抗冲击性能的设计工具。然而，目前研究仅探明生物聚合类混凝土星壤基材料相关性能，尚缺乏其他材料的有关数据。

3.3 硬度

硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是反映材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。既有研究对不同工艺制备的地外星壤基材料样品进行了显微硬度和纳米硬度测试[136]。根据表8 [34,36,110,121‒122,137‒139]中的统计结果，烧结样品和熔融样品存在相似的硬度趋势。在不同的加工条件下，样品的硬度有所变化。其中，DLP样品的显微硬度根据烧结条件变化而显著变化：在1150  °C、空气气氛中烧结的样品的硬度比在1150  °C、氩气气氛中烧结的样品的硬度高33.41倍[34]。尚未见类混凝土固化星壤基材料的硬度指数研究报道。

3.4 疲劳行为

当地外环境中的建设项目涉及永久性结构时，对其长期服役性能的评估显得尤为关键。建材长期服役性能的影响因素之一是材料的抗疲劳性能。疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不会产生破坏的最大应力。建材的疲劳主要源于内应力的不断变化，这可能是由变化的外力作用或波动的温度引起的。为探索外力作用变化引起的材料疲劳，Su等[37]测量了“月球水泥”（一种以月壤模拟物为原料的超低黏结剂含量的杂化物）的疲劳行为，如图8 [37]所示。当使用JSC-1A模拟月壤作为填充材料时，该材料表现出了韧性趋势，但最终以解理断裂形式失效。由实验结果可知，“月球水泥”的抗疲劳性能高于钢筋混凝土材料，是较为可靠的星壤基材料。

为探索地外星壤基材料在温度波动下的热疲劳行为，学者们测试了不同材料经历高、低温冲击后的强度变化。据Williams等[140]报道，月球赤道的温度在96~397 K之间变化，极地的温度在50~200 K之间变化。鉴于此，必须考虑到热应力的影响，以确保地外建筑材料的可靠性。目前，已观察到三种类型的地外星壤基材料热疲劳行为，如图9 [49,124,141]所示，星壤基材料强度在经历热冲击后可能不变、降低或增强。根据Lauermannová等[124]报道的实验结果，以月壤模拟物为原料的氯氧化镁复合材料在经历三次-58~150 ℃的加热‒冷冻循环后强度几乎保持不变。根据Zhang等[49]报道的实验结果，模拟月球上的温度变化，由月壤模拟物制成的地质聚合物混凝土在经历热冲击后抗折强度降低了45%~70%，抗压强度降低了15%~19%。Pilehvar等[141]制造的月球地质聚合物混凝土的抗压强度则随着冻融循环次数的增加而增加，这可能是由无定形硅铝酸盐凝胶持续形成造成的。遗憾的是，到目前为止，还没有任何样品被放置在月球模拟环境中超过一年，地外星壤基材料的长期服役性能仍然未知。此外，尚未见烧结固化类星壤基材料的热疲劳行为研究报道。

4 地外星壤基材料的热、光学性能

为应对地外环境中的极端温度变化，星壤基材料应有适宜的热、光学性能。首先，星壤基材料应有良好的隔热性能（如低导热率和热扩散率），以便为结构内部提供适宜的生活条件。为了有效避免结构内部产生不必要的热辐射，所选用材料应表现出较低的向内热发射率，以维持内部环境的温度稳定性。其次，地外环境的巨大温度波动将导致建筑材料的热膨胀与收缩，使结构内部产生变化的热应力，引起结构疲劳，影响结构的安全性与稳定性[142]。因此，应选用热膨胀系数较低的材料，以避免结构随环境温度波动产生较大的膨胀和收缩。此外，在太阳辐射能量高的地区，结构外表面温度可能很高，结构内外部温差可能非常大，导致热应力与结构损伤。因此，建议使用太阳辐射吸收系数较低的建筑材料，以避免建筑外表面温度过高。为了讨论地外星壤基材料的热学性能和光学性能，本节总结了具体的定量指标。

4.1 热学性能

隔热性能良好的星壤基材料能够承受外部环境的温度变化，保持结构内部温度的稳定性，即尽可能隔绝热量在结构内外表面之间的传递。一般而言，热传递可以通过热对流、热传导和热辐射三种方式实现。其中，热对流[143]是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递。由于缺乏流体材料，月面等真空地外环境不会发生热对流。因此，对星壤基材料热学性能的讨论主要集中于热传导与热辐射。热传导过程中，物质中的大量分子相互碰撞，导致能量从物体的高温部分转移到低温部分。热辐射过程中，物体由于其温度而辐射电磁波。在地外建造材料中，热传导可以发生在致密材料内部，而热辐射可以发生在材料孔隙中。

因此，导热系数、热扩散率和比热容是地外建造材料常用的传热性能指标。良好的隔热材料应具有较低的导热系数和较高的比热容。导热系数是在稳定的传热条件下，在表面两侧有单位温差的情况下，在单位时间内通过单位水平截面积传递的热量。热扩散率则是衡量物体一点的温度扰动传输到另一点的速率。比热容是指单位质量物体在每单位温度变化时吸收或释放的热量。这三种性质都是温度的函数，三者之间的相关性可以表示为：

K T = α   ( T )   c   ( T )   ρ   ( T )

式中， T是温度； K是导热系数； α是热扩散率； c是比热容； ρ是密度。

为了全面探明烧结月壤样品的热学行为，Fateri等[39]以JSC-2A月壤模拟物为原料，使用不同工艺制备了一批烧结样品，并测试了其热学性能，如图10 [39]所示。其中，比热容由差示扫描量热仪（DSC）测得，热扩散系数由激光导热分析仪（LFA）测得。比热容测试结果显示：各类烧结样品的比热容数值接近，且都随着温度的升高而增加。Zheng等[36]在模拟月壤熔融玻璃物中也观察到类似的趋势，其比热容和温度的最小三次拟合为：

c p = 7.31 + 1.10 × 10 - 3 - 1.55 × 10 - 6 T 2 - 1.00 × 10 - 9 T 3

式中， c P是比热容[J·(g·K)-1]；T是热力学温度（K）。

导热系数方面，太阳能烧结样品表现出最低的导热系数和密度，而激光熔融样品则表现出最高的导热系数。Song等[144]和Kost等 [145]观察了导热系数与孔隙之间的关系：Song等[144]发现在真空环境中烧结的多孔样品具有相对较低的导热系数。Kost等[145]的研究中，将处于熔化状态的样品放置于真空室内，并使用激光进行加热处理。通过实验记录样品的温度变化，并利用MATLAB软件进行模拟分析以确定其热导率。研究结果显示，样品的导热系数随孔隙率的增加而降低。热扩散率方面，在Fateri等[39]制备的样品中，烘箱烧结样品的密度在所有测试样品中最高，而其热扩散率最低。

地外循环温度变化下，结构可能会发生重复的热膨胀和收缩，导致显著的热应力和可能的开裂。因此，最好使用具有相近热膨胀系数的弹性建筑材料。Kim等[38]研究了月壤模拟物微波烧结样品的热膨胀系数，如图11 [38]所示。为了模拟月面温度的循环变化，该研究对样品进行了加热、冷却和二次加热，并分别测量其热膨胀系数。由图可知，样品长度的变化率随着温度的升高而增加，且第一次加热和第二次加热测得的热膨胀系数之间几乎没有变化，证实了该样品稳定的热阻。经计算，月壤模拟物微波烧结样品的热膨胀系数为 5 × 10 - 6  ℃-1，与月球玄武岩风化层相似。未来研究应对其他地外建造材料的热膨胀特性进行性能测试与讨论，以丰富有关数据，为地外星壤基材料的选择提供建议。

4.2 光学性能

在以往的月球和火星探测过程中，人类已通过遥感卫星、着陆探测器等工具对星壤的光学性能开展广泛研究。其主要数据来源包括美国LCROSS卫星上的可见/近红外分光光度计（VNIRS）、欧洲火星快车上的测绘光谱仪以及中国嫦娥一号上的成像干涉仪（IIM）等。既有研究主要分析了星壤的反射光谱，且不同探测器的光谱波段并不完全相同。基于不同反射光谱数据的特征分析，可以了解星壤的矿物学信息、成熟度、含水量信息和其他特性。例如，Jiang等[146]在月壤中观测到强烈的前向散射效应和显著撞击效应；Wang等[147]分析了月壤的亚微观铁含量，并论证了月表风化层的光学成熟度。总之，星壤的光谱特征是其矿物成分、空间风化特征、颗粒大小和几何形状综合作用的结果。

对地外结构来说，建材的光学性质能够影响结构的温度：建材吸收太阳辐射能，可使结构温度升高；同时建材向外辐射能量，可使结构温度降低。准确表征星壤基材料的光学性能，有助于确定建筑结构吸收、反射太阳辐射的能力[148]。当太阳辐射投射至材料表面时，根据材料的光学性质，入射辐射会发生吸收和反射。星壤基材料对能量的吸收和发射可以用太阳辐射吸收系数（alpha）和热发射率（epsilon）表示。太阳辐射吸收系数是指材料吸收的太阳辐射能与其接收的所有太阳辐射能的比率。吸收太阳辐射能量之后，材料的温度会升高，并向周边环境散发热能。热发射率则是指在给定温度下，材料所发射的热辐射能量与绝对黑体所发射的热辐射能量的比值。若材料表现出优异的选择性吸收能力[149]，即较高的太阳能吸收率和较低的热发射率，则可优选作为储能材料[150‒151]，以应对地外环境中的漫长黑夜[152]。该特性可通过太阳吸收率与热发射率之间的比率进行量化。

为探索月壤模拟物SPS样品的光学性能，Licheri等[28]开展了相关实验。图12（a）[28]显示了月壤模拟物粉末及其烧结样品的光谱吸收率随波长变化的曲线（其积分表示该样品的太阳辐射吸收系数）。由于辐射捕获效应[153]，该材料的吸收光谱与其孔径分布有关。因此，在 700 °C和 900 °C下烧结样品的曲线之间存在差异。经积分计算，月壤模拟物粉末的太阳辐射吸收系数为0.77；在 700 °C下烧结样品的太阳辐射吸收系数为0.88；在 900 °C下烧结样品的太阳辐射吸收系数为0.92。材料的太阳辐射吸收系数越高，更有潜力作为太阳能接收器的原料。样品的热发射率和选择性吸收能力分别如图12（b）和（c）[28]所示。因此，相对于月壤模拟物粉末，其烧结样品表现出更好的选择性吸收能力，更合适作为吸能、储能材料。目前仅少数研究探索了地外建造材料的光学性质，尚缺乏全面的光学性能对比与规律总结。

5 地外星壤基材料的辐射屏蔽性能

宇宙辐射是宇航员探索活动的关键阻碍之一，因为辐射暴露会对其造成生物损伤[154]。相应的，表9 [155]列出了建议的宇航员辐射暴露限值。宇宙辐射的主要来源是太阳粒子事件（SPE）和银河系宇宙射线（GCR）[45]。由于缺乏地球强大磁场和稠密大气层的保护，地外环境中的辐射强度往往远高于地表。其中，SPE是突发且难以预测的，其主要成分为质子[156]。GCR则携带了多种类型的重粒子和离子，可以在宇航员体内积累数月甚至数年。除了质子和离子外，当GCR与人类、航天器和栖息地相互作用时，还会产生中子[157‒158]。综上所述，质子、中子和重粒子是宇宙辐射的主要关注点。

良好的辐射屏蔽材料能够为宇航员提供保护，辅助其开展深空探测活动。既有研究已证明多种聚合物、氢化物材料具有良好的辐射屏蔽效果，如Kapton [45]、氢化锂[159]、聚乙烯[160]和铝[161]等。然而，携带额外的辐射屏蔽材料会对航天任务造成负担。因此，开发以星壤为原料的原位辐射屏蔽材料具有重要意义。既有研究已通过仿真模拟或实验测试开展有关研究，探索了星壤矿物[41]、星壤[42]及星壤基材料[40]的辐射屏蔽性能。

5.1 质子辐射屏蔽

质子是带正电荷的亚原子粒子，在SPE和GCR中均存在。Montes等[40]基于蒙特卡罗方法，使用FLUKA工具进行模拟仿真，演示了地质聚合物混凝土的质子屏蔽性能。该研究使用的地质聚合物混凝土是用JSC-1月球风化层模拟物制备的。模型中，栖息地被设置为直径460 cm的球体；辐射屏蔽层厚度则分别被设置为50 cm和100 cm。为了表示不同辐射事件，仿真中引入了40、100和400 MeV的单色质子。该仿真模型分析了宇航员的辐射吸收剂量和剂量当量（由图13 [40]中栖息地结构内的正方形表示）。其结果以热图的形式显示在图13中，其中深红色表示高沉积能量，深蓝色表示低沉积能量。基于模拟结果，可以得出结论：深度为50~100 cm的地质聚合物混凝土可以为宇航员长期驻留提供足够的屏蔽保护，但仍应为太阳耀斑产生的稀有高能质子进一步设计特殊的保护措施。

5.2 中子辐射屏蔽

中子是由初始粒子碰撞产生的不带电的基本粒子。如图14 [41]所示，使用月壤模拟物及其烧结样品开展了中子辐射屏蔽实验。该实验采用ChipIr设施，如图14（a）所示，使用800 MeV质子产生中子，中子束被引导至模拟月壤材料上，并利用图14（a）所示的硅辐射探测器测量其通量，以此来记录辐射衰减情况。实验选用了三种样品：JSC-2A粉末、真空烧结的JSC-2A以及太阳烧结的JSC-2A。实验结果展示于图14（b）中。研究发现，模拟月壤具有与铝相类似的中子屏蔽效能。此外，该实验验证了预先设定的蒙特卡罗辐射模拟，模拟结果如图14（c）所示。根据模拟数据，厚度为200 g∙cm-2的烧结JSC-2A样品能够有效抵御GCR中子，这一效果等同于80 cm厚的烧结风化层或150 cm厚的松散风化层。

5.3 重离子辐射屏蔽

重离子，如56Fe、48Ti、40Ar、28Si、20Ne、16O、14N、12C和10B等[162]，是GCR中的重要组成部分。为了研究地外星壤基材料对重离子的辐射屏蔽特性，Miller等[42]使用Apollo任务中的真实月壤样本与典型的月壤模拟物样品开展了辐射屏蔽测试。辐射测量分两个阶段进行。第一阶段使用400 MeV每核子的高能量束对真实月壤的辐射屏蔽性能进行了测试，并将其与铝、聚乙烯和石墨进行比较。实验结果表明，月壤的辐射屏蔽效果几乎与铝相当，但仅为聚乙烯的一半。在第二阶段，辐射束的能量为每核子290 MeV，实验对象是月壤模拟物，如NU-LHT-1等。测试得到的布拉格曲线如图15 [42]所示。研究观察到GCR中某些代表性成分的衰减现象[163]。由实验结果可知，半米厚的轻微压实月壤（密度为1.4 g∙cm-3）即可对GCR中的离子起到较好的防护作用。

综上所述，地外星壤基材料能够有效屏蔽质子、中子和重粒子辐射。对于未经处理的月壤，150 cm的松散月壤可以保护宇航员免受GCR中子的伤害[41]，46 cm厚的压实粉末亦可以保护宇航员免受GCR和SPE质子的伤害[42]。对于月壤基材料，50~100 cm厚的地质聚合物混凝土能提供足够的质子辐射屏蔽[40]；80 cm厚的烧结月壤即可实现较好的中子屏蔽效果[41]。

6 地外星壤基材料的性能影响因素及优化方法

上述内容讨论了地外星壤基材料的力学、热学和辐射屏蔽性能，各类星壤基材料的优缺点汇总如表10所示。

本节旨在分析地外星壤基材料性能的影响因素，并为其性能优化提供建议。事实上，各类地外星壤基材料的性能影响因素可能因具体的成形工艺而异，本节主要讨论一些常见的共性问题。

6.1 地外星壤基材料性能影响因素

6.1.1 力学性能与热学性能影响因素

影响建筑材料力学、热学性能的关键因素是其微观结构，即孔隙和裂纹。一个普遍的规律是：材料孔隙率越高，力学性能越弱，但隔热性能越好。该规律适用于多类星壤基材料，包括烧结固化类星壤基材料[110,144‒145]和类混凝土固化星壤基材料[103]，如图16 [110,145]所示。从长期性能的角度考虑，现有孔隙和裂纹在极端服役环境中可能会进一步扩展，如图17 [49,118]所示。然而，迄今为止的研究仅探讨了温度变化对材料微观结构发展的影响，有关辐射及其他恶劣环境条件下的数据仍未见报道。

事实上，多种因素都可能导致孔隙和裂纹的产生，从而影响样品性能。首先，原料的成分和形态对样品微观结构可能产生显著影响。星壤的化学、矿物组成对成形试样状态均有较大影响。鉴于月球上同时存在高钛与低钛风化层，钛铁矿成为研究人员最为关注的成分之一。Song等[137]发现，月壤真空烧结过程中，内部的钛铁矿可能会与其他矿物之间发生离子置换；Zhou等[133]亦发现，月壤模拟物微波烧结试样中，钛铁矿占比为4.6%的试样力学性能最佳。与之类似，Meurisse等[164]发现，DNA-1月壤模拟物的最佳烧结温度低于JSC-1A月壤模拟物。具体而言，DNA-1中的钠长石矿物的熔点低于JSC-1A中的富钙斜长石。由DNA-1月壤模拟物制备的样品也因此孔隙率较高、强度较低。依据实验结果，在开展相关实验过程中，必须考虑到模拟星壤与真实星壤之间成分差异所带来的影响。除成分外，星壤原料的形态对样品性能也有较大影响。Collins等[116]发现，由JSC-2A月壤模拟物制备的地质聚合物混凝土抗压强度远高于JSC-1A样品。这是因为JSC-2A月壤模拟物的研磨工艺特殊，内应力更高，且球形颗粒占比更大，其制成的混凝土试样孔隙率也更低。除星壤外，其他原料成分也会对材料性能造成影响。以地质聚合物混凝土为例，Zhou等通过正交实验初步探索了反应物比例对样品力学性能的影响[49,113]。实验发现，浓度过量的碱性溶液会从地质聚合物凝胶中析出，可能导致结构内部膨胀并产生裂缝，从而削弱样品强度。而添加Al2O3和Metamax则能为碱激发反应提供更多的铝源，减少裂纹生成，提高地质聚合物混凝土的强度[120]。其次，制备条件也将显著影响样品微观结构。对模具烧结类样品，Kim等[38]在微波烧结样品中观察到，烧结温度不同，其样品开孔、闭孔和总孔隙率不同。相应地，其抗压强度、热膨胀系数亦不同。对3D打印类样品，当打印厚度与固化深度匹配时，制备出的样品具有最低的孔隙率和最高的抗压强度。对类混凝土样品，养护温度对样品孔隙率及强度有较大影响，从而导致不同的力学性能[113]；真空的固化条件[117]会使反应溶液从模具中析出并蒸发，从而影响反应的进展。最后，服役条件对样品的微观结构也会产生较大影响。一方面，微重力[165]可能使样品产生独特的微观结构；另一方面，温度循环[49,118,141]等极端环境条件可能使样品内部产生微裂纹并促使其进一步发展，使样品强度降低。

6.1.2 辐射屏蔽性能影响因素

就辐射屏蔽性能而言，星壤基材料的化学组成对其有较大影响。Al Zaman等[45]研究了部分聚合物和低密度氢化物的辐射屏蔽效应。该研究中，材料被制为环形结构，并被设置为不同的厚度。该研究证明了氢化物具有较好的辐射屏蔽能力。事实上，水也是一种有效的中子屏障，其中的氢能够通过弹性散射使中子减速。向月壤模拟物中添加质量分数为1.0%的水即可显著提高其辐射屏蔽性能。厚度为12 cm的湿润月壤即与厚度为22 cm、密度为2.54 g∙cm-3的压实干燥月壤具有相同的中子屏蔽能力[41] 。因此，在设计地外栖息地时，部分方案建议将水用作结构的内层材料，作为栖息地的辐射屏蔽方式[166‒167]。

除化学成分外，星壤基材料的致密化程度也可影响辐射屏蔽性能。如第5节所述，辐射屏蔽材料的用量常通过面密度表示。当材料压实度增加时，实现同等辐射屏蔽效果所需要的材料厚度更小。烧结、固化等过程均有助于致密化星壤粉末，以获得更好的辐射屏蔽性能。

6.2 地外星壤基材料性能优化方法

表11 [23,38,48‒50,104,110,113‒114,116,120,122,124‒125,129,132‒133,168‒169]中总结了既有研究中常用的星壤基材料性能优化方法。其中，大多研究采用了简单的控制变量法，部分研究则进行了系统的正交实验。

对于力学性能，其工艺优化方式主要体现在两方面。首先，应合理准备制备原料。如前所述，应优化各项反应物的添加比例，以避免原料冗余，减少裂纹生成。也可添加外掺剂以改变原料各化学组分的比例。亦可适当添加纤维材料，以填充微孔并增加材料的强度。其次，应优化制备条件与制备参数。对于类混凝土固化星壤基材料，养护温度与养护压力是待优化的重要参数。对于烧结固化类星壤基材料，烧结温度、加热速率以及加热压力是必须考虑的重要参数。尤其对于增材制造类星壤基材料，其可优化的工艺参数范围更加广泛。以选择性激光熔化为例，相应的参数包括基板类型、扫描间距、扫描速度、激光功率等[122]，合适的参数设置可以获得稳定且连续的激光轨迹，从而获得高质量的激光扫描平面及相应的三维试样。通过优化材料制备工艺，能够显著改善材料的性能。

对于热学性能，应着重优化样品的微观结构，以获得高孔隙率材料。真空烧结环境下，制备原料大量蒸发，是获得多孔材料的天然条件。根据Song等[144]的实验结果，真空烧结过程的重量损失率约为空气烧结重量损失率的四倍。关于辐射屏蔽性能，根据第6.1.2节的讨论，加水或致密化星壤粉末均为有效手段。

7 挑战与展望

既有研究已对常用的地外星壤基材料的关键工程性能进行了量化表征。然而，面向实际工程应用时，上述数据的应用仍存在一定挑战。下文重点凝练了地外星壤基材料关键工程性能表征目前面临的主要挑战，并展望了地外星壤基材料关键工程性能及其表征的未来研究方向。

7.1 地外星壤基材料性能表征的挑战

7.1.1 地外星壤基材料性能全面表征

地外材料的服役环境是复杂且耦合的。例如，当太阳风来袭时，月球上仍存在巨大的温度波动。强辐射和温度冲击均可能导致材料内部结构的损坏，材料在耦合荷载作用下的性能表征结果可能与单独荷载下有所差异。因此，表征星壤基材料服役性能时，应充分考虑耦合的荷载作用。然而，在以往的研究中，星壤基材料的性能表征实验仍采用传统方式进行，仅考虑单一载荷作用，无法获得全面、综合的性能表征数据。综上，既有研究尚未探明星壤基材料的综合性能。

7.1.2 地外星壤基材料长期服役性能表征

对永久性结构而言，建材的长期服役性能十分重要。然而，当前星壤基材料服役性能的研究仍停留在实验室水平，其服役测试时间仅数十小时。表12 [49,117,124,141]总结了既有研究中星壤基材料的服役性能表征实验：最大的温度循环次数为40次，最长的固化养护时间为28 d。这种短期的性能表征实验尚无法证明材料的长期适用性和可靠性。此外，材料方面，仅初步探索了地质聚合物混凝土与镁系混凝土的服役性能，仍缺乏对其他星壤基材料的有关数据；服役方面，仅初步探索了极端温度循环与高真空环境对材料性能的影响，其他恶劣环境的长期影响仍不清楚；性能方面，仅报道了抗压强度数据，未报道其他性能指标。

7.1.3 地外星壤基材料真实性能表征

星壤基材料面临的主要挑战来自其极端的工作环境。然而，由于技术瓶颈和成本限制，地球上难以模拟高保真的极端地外环境。以辐射和微陨石撞击为例，这两种载荷通常是通过模拟仿真实现的，难以通过实验直接施加。此外，以温度循环为例，由表12中的总结数据可知，实验室创造的温度范围仍小于真实月、火环境的温度范围。综上，由于难以模拟真实的极端地外环境，地外星壤基材料的真实工程性能仍不清晰。

7.2 地外星壤基材料性能表征的未来展望

7.2.1 多物理场耦合作用下的高通量表征

为改进传统测试方法，实现星壤基材料的综合表征，建议在未来的研究中开发多物理场耦合作用下的高通量表征方法。高通量方法[170‒171]旨在快速、精细和准确地完成星壤基材料性能表征，以获得大量数据；而多物理场耦合作用则旨在模拟复杂的地外环境。该组合可通过将外部荷载整合入表征装置中来实现，为进一步的研究提供条件。地外星壤基材料受复杂载荷时，可能会出现脆化、蠕变、疲劳等损伤现象，严重影响其性能和寿命。其失效机制可能与标准测试条件下的研究结果显著不同。因此，应开发适宜的性能表征装置，以精细表征材料在多物理场耦合条件下的内部响应，最终实现对星壤基材料微观结构损伤的演化信息与性能参数的高通量获取。例如，可采用同步辐射光源、散裂中子源等多维多尺度原位表征装置，以实现对高密度、大尺寸及高承载能力材料的内部微观结构三维全场和原位动态表征。

7.2.2 基于地面模拟的加速寿命试验

星壤基材料长期性能评估的主要挑战在于模拟地外环境的时间和经济成本。事实上，地球上建材的长期性能评估亦存在同样的挑战。为此，既有研究已提出并广泛应用了加速寿命试验。混凝土及其他建筑材料的耐久性已通过加速测试方法进行了广泛的研究。Yang等[172]得出结论，将混凝土暴露在60 ℃的恒温碱性溶液中270 d，相当于在实际工程应用场景中服役50 a。加速寿命试验的基本指导思想是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期。相似性理论表明，如果两个现象相似，则描述该现象的几个参数之间的关系可以转化为相似性准则之间的函数关系[173]，且相似性准则函数关系保持一致。通过深入研究相似性理论，并通过预先实施的试验确定关键影响因素，可以确立将实验模拟条件与真实环境相联系的相似性准则。因此，建议开展极端环境下的加速寿命试验，通过相似性分析从加速试验的结果中获得预测方程或模型，以获知星壤基材料的长期服役性能。

7.2.3 真实地外场景下的原位实验

由于地球上难以模拟高保真地外极端环境，建议在真实地外场景下进行原位成形实验，并开展服役性能测试。既有研究已尝试利用国际空间站提供的地外环境开展实验，如生物材料[174]和固体润滑材料[175]的空间暴露实验、金属材料的液体烧结实验[176]等，并未聚焦于星壤基材料。上述项目已证实了地外实验的可行性，建议未来以地外星壤基材料为研究对象，充分利用空间站实验平台开展有关实验，如微重力/零重力下的星壤基材料成形实验、成形星壤基材料的空间暴露实验等。此外，可考虑在未来的月球探测任务搭载星壤基材料成形及测试装备，在地外空间中开展星壤基材料原位成形与极端环境暴露实验。这些样品能够在真实的极端环境下进行暴露，以便对其性能进行表征。未来，国际月球科研站与月球大本营的建立亦将为月面环境中的月壤基材料成形与测试提供支持。

8 结论

本研究总结与梳理了地外星壤基材料关键工程性能及其表征的研究进展，介绍了13种典型星壤基材料（如类混凝土材料、烧结类材料）的原位固化成形方法，系统总结了地外星壤基材料三大类关键工程性能，包括但不限于强度、耐久性及热稳定性等关键性能指标，并进行了详细的总结与对比，重点凝练了地外星壤基材料关键工程性能表征目前面临的主要挑战，展望了地外星壤基材料关键工程性能及其表征的未来研究方向。

地外星壤基材料成形及服役环境恶劣，需重点关注其三类关键工程性能，即力学性能、热学与光学性能、辐射屏蔽性能。对力学性能的讨论有助于比较分析不同材料的可靠性与适用性。其中，地外星壤基材料的力学性能包括强度、抗冲击性、硬度、疲劳行为等。经比较，烧结类材料整体较类混凝土材料表现出更优异的力学性能。热学与光学性能的分析着重于隔热效应及其导致的热应力。具备低热导率和高比热容的材料有助于维持栖息地内适宜的室内环境，而具有较低且相近的热膨胀系数的材料则能有效减少结构内部应力。然而，当前该领域的实验数据尚不足以进行全面对比。在辐射屏蔽性能方面，前人的研究已通过模拟与实验手段进行了初步探索。通过压实和烧结来增加原位风化层的密度，能显著提升其辐射屏蔽性能。此外，添加水分也被证明对辐射屏蔽有显著帮助。本研究在整理并总结地外建筑材料性能的同时，进一步深入分析了影响性能的因素及其优化方法。制备优质的原材料，并在成型过程中选择合适的工艺参数，对于提升星壤基材料的最终性能至关重要。

最后，本研究重点凝练了目前表征地外星壤基材料关键工程性能的主要挑战，并展望其未来发展方向。首先，传统材料表征方法存在局限性，无法提供全面的材料属性数据。针对这一问题，推荐使用多物理场耦合作用下的高通量表征技术，以获得更详尽的材料信息。其次，有限实验条件下难以准确评估材料长期性能。对此，建议采用加速测试方法，以模拟长时间环境影响。最后，开展真实的地外实验是必要的，随着空间站技术的发展，将为实施真实的地外实验提供强有力的支持，并进一步推动地外建筑材料的研究与发展。

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