《Journal of Non-Crystalline Solids》：Ultra-high temperature melting and solidification behavior of lunar soil simulant under vacuum
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月球土壤模拟物在超高温度真空熔融-凝固行为及产物分层结构研究。通过激光真空冶金系统在1×10-3 Pa真空下对CLRS-2进行2000°C以上处理，发现产物呈现明显分层结构：上层为均匀Mg-Al-Si-Ca-O玻璃相与Ca-Ti-O树状结构，下层为Ca-Ti-O、Mg-Al-O、Al-Ca-O等多相系统及微米级铁颗粒。
张晓虎|李光石|盛鑫|李伟利|程鹏|李长远|庞中亚|邹星丽|徐倩|卢雄刚
上海大学材料科学与工程学院，中国上海200444
摘要
由于地球与月球之间的运输成本极高，人类缺乏在月球表面建立基地所需的建筑材料。原位资源利用（ISRU）技术可以利用月球土壤制造陶瓷和复合材料。更重要的是，月球土壤的熔化-凝固过程本质上类似于微陨石撞击过程，其中瞬间的超高温度会导致矿物熔化，随后迅速发生真空淬火。因此，在本研究中，我们研究了月球土壤模拟物（CLRS-2）在超高温度（>2000°C）真空条件下的熔化和凝固行为。微观结构分析表明，坩埚内的产物可能呈现分层结构：上层由均匀的Mg-Al-Si-Ca-O玻璃基质和Ca-Ti-O树枝状结构组成，而下层则形成了包含Ca-Ti-O相、Mg-Al-O相、Al-Ca-O相以及分散的微米级金属铁颗粒的多相体系。对铜收集器上沉积物的SEM-EDS分析显示，其结构基于氧化物的挥发性而分层，这与它们在真空下的沸点相关。钠和钾的氧化物可能首先蒸发，形成初始沉积物；硅和铁的氧化物由于沸点稍高，可能随后蒸发；钙、铝和镁的氧化物由于沸点更高，可能最后蒸发并沉积在收集器最外层。本研究为月球原位资源利用提供了一种参考方法。
引言
随着地球资源的枯竭，开发太空资源将成为全球关注的焦点[1]。月球作为地球唯一的天然卫星，是人类探索太空的首选目标。自20世纪初以来，多个国家开展了众多的月球探索计划，包括欧洲航天局的SMART计划、美国的阿波罗任务、前苏联的月球计划以及中国的嫦娥项目[2,3]。近年来，中国嫦娥5号和嫦娥6号任务带回的月球样本重新引发了全球对月球探索的兴趣。月球富含矿产资源，主要分布在高地斜长岩、火山碎屑岩、月球海玄武岩和月球土壤中。斜长岩主要由铝和硅组成；火山碎屑岩含有丰富的火山玻璃等矿物；月球玄武岩富含铁和钛，可开采的FeTiO3储量超过1500亿吨。月球土壤是一种覆盖整个月球的松散碎屑物质，其化学成分与地球土壤相似，主要矿物成分包括辉石、钛铁矿、斜长石和火山玻璃，氧化物以SiO2、Al2O3、FeO、TiO2、MgO和CaO为主[4]。此外，月球还蕴藏着大量的氦-3、稀土元素和水冰[5],[6],[7],[8]。月球表面具有超高真空（1.3 × 10?7–10?9 Pa）、微重力、极端温度变化和强烈的太阳辐射[9,10]。因此，在月球表面建立永久性栖息地和科学站（月球基地）是一个长期愿景，将造福全人类[11]。然而，将材料和资源从地球运输到月球成本极高，不利于长期大规模开发。因此，我们可以充分利用这些资源来适应当地条件，实现月球资源的原位利用。这将降低月球任务的风险和成本，同时为可持续探索月球和建立安全可靠的人类栖息地做好准备。
目前关于月球资源原位利用技术的研究主要集中在月球土壤上，主要分为两类：材料成型和提取冶金。在材料成型研究中，3D打印技术起着关键作用。该方法利用激光产生的高能束沿预定路径熔化和烧结月球土壤粉末，从而逐层制造月球土壤砖块和复合材料。这些坚固的结构旨在建造能够抵御辐射和微陨石撞击的月球栖息地[12],[13],[14]。Cesaretti[15]和Goulas等人[16]研究了将3D打印技术与月球土壤结合用于建造月球栖息地的应用。通过分析该技术的操作原理并采用多种测试方法，他们系统评估了模拟月球土壤的物理化学性质。当模拟材料的性质与真实月球土壤一致时，它成为3D打印技术的可行且极具前景的候选材料。随后，Meurisse等人[17]不仅证明了月球土壤的逐层太阳烧结可行性，还使用月球土壤模拟物作为原料通过3D打印技术制造了月球土壤砖块，实现了低于5 MPa的抗压强度。尽管这种方法不能直接应用于月球，但通过减少烧结过程中的温度梯度和层间冷却时间可以提高其性能。此外，Miranda等人[18]提出了一种基于拓扑互锁砖块的可适应和模块化的人类栖息地建造方法。这些3D打印的结构元素具有特殊形状，可以相互锁定，从而比传统方法提供更高的韧性和模块化程度。所有这些都表明3D打印技术在月球上的适应性和巨大潜力。然而，由于月球环境与地球的巨大差异（包括接近真空的条件、微重力和极端温度波动[19,20]，月球3D打印技术的实施面临重大挑战。此外，微陨石撞击也带来了额外的操作风险[21]。同时，提取冶金研究主要集中在月球风化的真空烧结上，烧结产物可用于制造陶瓷、玻璃纤维和复合结构材料[22,23]。Song等人[24]在1100°C的真空条件下烧结了月球土壤模拟物（CLRS-1），得到了一种多孔材料（密度：1.19 g·cm?3），其热导率为0.265 W·m?1·K?1，显示出作为月球建筑用陶瓷隔热材料的潜力。然而，该研究的烧结温度（1100°C）低于月球微陨石撞击温度（>2000°C），因此有必要研究月球风化模拟物在模拟月球环境条件下的熔化和凝固行为。Phuah等人[25]发现，电流辅助烧结可以显著降低烧结温度和时间，提高处理效率。在700°C和50 MPa的条件下，最终密度达到97%，显微硬度与其他玻璃材料相当。然而，将设备从地球运输到月球的成本过高，使其不切实际。Guo等人[26]研究了CLRS-1在不同温度下的真空熔化和凝固过程。随着熔化温度的升高，固化样品的密度、抗压强度和维氏硬度也随之增加。值得注意的是，在1400°C下固化的样品表现出优异的纳米压痕硬度和热导率。Gupta N等人[27]证明了通过炉内烧结月球土壤模拟物（LMS-1）制造月球土壤砖块的可行性。通过数值建模，他们系统评估了工艺参数，并通过烧结后的抗压测试验证了该方法的有效性。所获得的抗压强度超过了40 MPa，远高于低重力条件下的最低要求。对烧结LMS-1的微观结构表征进一步证实了该方法在月球应用中的可行性。虽然月球风化物质在多种应用中显示出巨大潜力，但这些技术的成功实施从根本上取决于对其熔化和凝固行为的全面理解。
尽管在这一领域取得了许多进展，但大多数研究中用于熔化月球风化模拟物的实验温度仍远低于月球上的实际温度。真空条件下的温度对风化物质的熔化和凝固过程至关重要，显著影响材料的加工性和最终产品的质量[28]。因此，在接近实际月球风化物质熔化温度的条件下进行实验研究是必要的。在本研究中，我们研究了CLRS-2在超高温度真空条件（1 × 10?3 Pa）下的熔化和凝固行为，并对其固化产物和挥发性产物的微观结构进行了表征。
章节片段
激光-真空冶金熔化系统
图1(a)和(b)分别展示了激光-真空冶金熔化系统的示意图和物理结构图（实验装置为自制）。实验步骤如下：首先将真空室抽至预设压力值，然后激活100 W的激光器（DAB 100型半导体直射激光器，北京Tottenham Laser有限公司），发射出900 nm波长的激光束
从真空超高温度熔化中固化的CLRS-2
将260 mg的CLRS-2样品压制成圆柱形颗粒并放入铜坩埚中。将真空室抽至1.0 × 10?3 Pa后，激光功率设定为100 W，照射时间为900秒。实时监测熔池内的温度变化，结果如图2所示。激光激活后，熔池温度迅速上升并略有波动，整体呈上升趋势，直至达到峰值
结论
本研究研究了CLRS-2在超高温度（>2000°C）真空（1.0 × 10?3 Pa）条件下的熔化和凝固行为。详细的微观形态和化学成分分析表明，经过激光真空熔炼后，坩埚内的产品上部由均匀的Mg-Al-Si-Ca-O玻璃相和规则排列的Ca-Ti-O树枝状相组成；而下部则由Ca-Ti-O相、Mg-Al-O相和Al-Ca-O相组成
数据可用性
数据可应要求提供。
CRediT作者贡献声明
张晓虎：撰写——初稿。李光石：监督、项目管理和资金获取。盛鑫：研究。李伟利：验证、正式分析。程鹏：软件开发。李长远：方法论。庞中亚：可视化。邹星丽：撰写——审阅与编辑。徐倩：方法论。卢雄刚：资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52574439、52334009）、国家重点研发计划（编号：2023YFB3712401）以及先进耐火材料国家重点实验室（上海）（编号：SKLAR-ZZ-2025-03）的支持。
