将月球风化层通过冷喷涂技术沉积在聚合物基底上：这是实现月球原位资源利用的一条途径

《Surfaces and Interfaces》：Cold spray deposition of lunar regolith on polymeric substrates: A pathway toward in-situ resource utilization on the Moon

月球表面资源利用中，采用冷喷制造技术（CSAM）在聚四氟乙烯（PTFE）等聚合物基材上沉积月壤模拟物涂层，评估其机械性能、粘附强度及热稳定性，为在轨制造与长期月球驻留提供技术支撑。

　　
该研究聚焦于利用冷喷涂增材制造技术（Cold Spray Additive Manufacturing, CSAM）在聚合物基材上实现月球土壤模拟物（LHS-1D）的功能性涂层制备，旨在为月球原位资源利用（ISRU）提供关键技术支撑。研究通过系统性实验设计，深入探究了工艺参数与涂层性能的关联机制，同时针对月球环境特性提出工艺优化建议，为后续空间应用奠定了理论基础。

研究首先明确了 lunar regolith 在 ISRU 中的核心地位。月球高地土壤主要由二氧化硅（49.16%）、氧化铝（26.29%）、氧化钙（13.52%）等氧化物构成，其资源化利用对降低空间任务物流成本（当前商业运输成本约10万美元/公斤）具有战略意义。研究选取聚四氟乙烯（PTFE）作为基材，因其具备耐高温（-200℃~260℃）、化学惰性、低摩擦系数等特性，广泛应用于空间结构件制造。然而传统喷涂技术难以在疏水性的PTFE表面实现有效附着，这成为制约 lunar regolith 聚合物基材应用的关键瓶颈。

研究创新性地采用冷喷涂技术突破这一难题。冷喷涂作为固态加工技术，具有三大核心优势：（1）无需高温熔融，可保持材料本征特性；（2）加工温度低于基材热分解阈值（PTFE分解温度约327℃）；（3）沉积过程中应力累积较少。实验通过全因子设计研究（温度、压力、扫描速度等）与结构性能的关联性，重点突破以下技术难点：
1. **材料相容性**：月球土壤模拟物（LHS-1D）含有多种氧化物颗粒，其表面能（约72 mN/m）与PTFE（表面能<20 mN/m）存在显著差异，需通过工艺参数优化实现界面结合。
2. **沉积均匀性**：针对PTFE基材表面粗糙度（Ra<0.1 μm）较低的特点，设计梯度扫描策略，确保涂层厚度分布（12-23 μm）均匀。
3. **界面结合强度**：通过ASTM D3359划格试验（5B级）和剥离强度测试（9-12 MPa）验证涂层附着力，显著优于传统溶剂基印刷法（剥离强度<5 MPa）。

实验结果表明冷喷涂技术能有效解决上述挑战。在最佳工艺参数组合下，LHS-1D涂层厚度达到23 μm且表面粗糙度仅提升0.3 μm（Ra=0.4 μm），形成致密柱状晶结构（晶粒尺寸约5 μm）。X射线衍射分析显示主要矿物相（SiO?、Al?O?）保持与天然土壤一致的结构特征，经热重分析证实涂层中有机残留物含量低于0.5%（纯度>99.5%）。机械性能测试表明，涂层在压缩强度（提升18.7%）、抗弯强度（提升22.3%）等关键指标上均优于基材，同时热阻率提升8.25%，有效抑制了极端温差（-170℃至120℃）环境下的热传导。

研究特别针对月球环境特性提出工艺优化建议：通过真空热处理（100℃/1h）可使涂层与基材形成金属键结合（结合强度达12 MPa），同时消除残余应力（弯曲应力降低43%）。模拟真空条件（<10?? Pa）下的沉积实验显示，颗粒沉积角度分布（30°-45°）与月球表面重力环境（0.17g）相匹配，这为后续在轨工艺验证提供了关键参数依据。

该研究在ISRU领域取得三方面突破：其一，首次建立冷喷涂工艺参数与月球土壤涂层性能的量化关系模型，为工艺优化提供理论框架；其二，开发出基于LHS-1D的耐辐射涂层（γ射线辐照后性能衰减<5%），有效解决长期驻留环境中的辐射损伤问题；其三，形成完整的从材料表征（SEM、EDS、XRD）到性能评价（硬度、附着力、热学性能）的标准化测试流程，为后续工程应用提供可复现的评估体系。

在工程应用层面，研究提出"分级功能涂层"设计理念：底层采用纳米氧化铝颗粒增强的LHS-1D涂层（硬度提升至35 HV），表层设置微孔缓冲层以吸收冲击载荷。这种复合结构在模拟月尘冲击（>103 g/cm2）后仍保持98%的完整性，显著优于单一涂层结构。经济性分析表明，采用CSAM技术制备涂层可使单件设备成本降低37%（材料消耗减少42%），同时减少地球运输依赖度达60%。

研究为月球基地建设提供了关键技术储备：通过优化工艺参数，可在1小时内完成直径1米的环形墙结构喷涂（厚度均匀性±2%），较传统3D打印技术效率提升5倍。在热防护方面，测试数据显示涂层可使设备表面温度波动范围从±65℃收窄至±28℃，为设备长期稳定运行创造条件。此外，开发的模块化喷涂设备可适应低重力（0.17g）环境，在模拟月面实验中实现了连续48小时不间断作业。

未来研究方向建议重点关注：（1）建立冷喷涂参数与月面环境（真空、微重力、辐射）的动态匹配模型；（2）开发基于LHS-1D的复合涂层材料，整合抗氧化、抗磨损、电磁屏蔽等多重功能；（3）构建在轨冷喷涂设备原型，验证其月面环境适应性。该研究不仅为月球基地建设提供关键技术支撑，更为深空探测中资源循环利用开辟了新路径。