基于墨水直写（DIW）技术的月壤齿轮原位制造：可行性、挑战与展望

一、引言

随着美国“阿尔忒弥斯计划”、中国“嫦娥工程”及“国际月球科研站”建设的推进，人类月球探测已进入旨在长期驻留的新阶段。实现长期驻留的核心挑战在于如何极致地降低对地球补给的依赖，其中，利用月球表面最丰富的资源——月壤进行原位制造，成为公认的解决方案。

从地球运输物资成本极高，估算表明，每向月球运送1 公斤载荷，成本可达数万至数十万美元。因此，利用月壤就地制造基础设施（如栖息所、防辐射墙）和日常工具、备用零件，具有巨大的经济价值和战略意义。齿轮作为机械的“心脏”，其快速、按需制造能力对维持月球基地的运转至关重要。然而，当前月壤增材制造研究多集中于建筑尺度的成型（如轮廓工艺、烧结砖块），或依赖于从地球携带的复杂化学粘结剂（如光敏树脂、磷酸盐等），对于仅使用月壤和水这两种最基础、最易原位获取的原材料来制造精密功能性零件的研究，尚属空白。

二、月壤增材制造技术路径对比与DIW 技术优势

目前，应用于月壤的增材制造技术主要包括以下几种：

1. 粉末床熔融技术：如选择性激光熔融（SLM）。该技术能获得较高致密度和强度（抗压强度可达 ～30 MPa），但其设备复杂、能耗极高、对铺粉平整度要求苛刻，且月尘在微重力下的漂浮问题难以解决。

2. 太阳能烧结技术：利用聚焦太阳能直接烧结月壤粉末层。该方法能源就地获取，但成型精度极低（毫米级），力学性能较差（抗压强度～5 MPa），难以制造精细零件。

3. 粘结剂喷射技术：先铺粉再选择性喷射粘结剂。成型速度快，但零件“生坯强度”低，通常需要二次浸渍强化，工艺复杂，且精度有限。

4. 光固化成型技术：如数字光处理（DLP）、立体光刻（SLA）。这是当前研究的热点，能获得极高的打印精度（数十微米）和卓越的力学性能（抗压强度最高可超 400 MPa）[1， 2]。但其核心瓶颈在于浆料配制需依赖大量从地球运输的有机光敏树脂（通常占浆料体积 50%以上），且月壤颗粒对紫外光的强烈散射和吸收效应使得高固含量浆料制备困难。

本项目选择的DIW 技术具有独特优势：

· 材料适应性极广：DIW 对浆料的兼容性极高，只需月壤与水混合达到适宜的流变特性（如剪切稀化）即可打印，无需任何其他添加剂，最大程度实现了原材料的就地化和简易化。

· 设备简单可靠：DIW 设备机械结构相对简单，无精密光学系统，更耐冲击和振动，适应火箭发射的严苛环境。

· 无粉床操作：避免了在微重力环境下粉末漂浮这一棘手难题。

·能量需求低：打印过程本身能耗远低于SLM等基于熔融的技术。

· 灵感来源可靠：项目思路源于传统的“泥土制砖”原理，即通过水和土壤混合成型，再经高温烧结获得陶瓷化强度，这是一种经过验证的、可靠的技术路径。

三、理论与文献支撑：月壤- 水体系烧结的可行性

尽管近期高水平研究（如附件文献 [1， 2]）主要集中在月壤光固化技术，但其关于月壤烧结行为和力学性能的研究结论为本项目提供了间接而重要的支撑。

1. 烧结与力学性能：文献 [2] 使用 CUG-1A 模拟月壤（低钛，与Apollo 14 月壤成分相似），通过光固化成型和烧结，在 1075° C 的空气中获得了抗弯强度 108.8 MPa、抗压强度 222.8 MPa 的试样。文献 [1] 甚至通过优化浆料（添加少量水改善流变性），实现了抗压强度444.23 MPa 的卓越性能。这证明月壤材料本身通过合适的烧结工艺，具备获得高强度陶瓷构件的潜力，远超一般地砖的强度，为制造承力工具零件提供了可能。

2. 烧结机理：月壤主要矿物为硅酸盐（如辉石、长石、橄榄石），在高温下（1000° C 以上）会发生颗粒间的固相扩散和部分矿物的熔融，形成液相烧结，从而大幅提高致密度和强度 [2， 3]。虽然水在烧结前会蒸发，但其在打印阶段起到了关键的塑化和粘结作用，使生坯具备足够的强度进行后续处理。

3.DIW 的可行性佐证：文献 ^[1] 中为了降低高固含量月壤浆料的粘度，引入了 4 wt% 的水，并成功实现了打印，这从侧面证明了水在月壤浆料中具有良好的相容性和流变调节作用。本项目直接使用水作为唯一粘结剂，是这一思路的极致化和纯粹化探索。

因此，尽管目前尚未有直接报道仅用水和月壤进行 DIW 打印并烧结的研究，但上述文献成果从材料科学角度证明了该路径的合理性。本项目的核心将在于探索月壤 - 水比例、打印参数与烧结制度三者之间的最佳配比，以复制甚至逼近光固化技术所达到的力学性能。

四、项目核心挑战与解决思路

申报书中已明确了项目的两个核心目标： ① 找到最佳配比与烧结工艺以获得高力学性能； ② 成功制造出一个齿轮。为实现目标，需攻克以下挑战：

1. 浆料流变性控制：水过多会导致浆料流动性过强，无法堆叠成型；水过少则浆料干涩，挤出困难且层间粘结差。解决思路：需系统测试不同液固比（如从 15% 到 30% ）浆料的流变特性，找到具有明显剪切稀化行为（即静止时粘稠，挤出时变稀）的配比，这是 DIW成功的关键。

2. 干燥与烧结开裂：水在干燥和烧结初期快速蒸发，易引起体积收缩和不均匀应力，导致零件开裂。解决思路：采用极其缓慢的升温速率（如文献 ^12] 采用 0.5° C/min），尤其是在水分和有机物（本项目中有机物极少，主要是水）挥发的温度区间（室温 ～600° C），使蒸汽能缓慢排出，避免缺陷产生。

3. 烧结收缩与尺寸精度：烧结会产生大幅收缩（线性收缩率可能超过 15%），对于齿轮这样对尺寸配合精度要求高的零件是巨大挑战。解决思路： ① 在 CAD 模型设计时进行缩放补偿，预先放大尺寸； ② 通过实验精确测定不同配比浆料的烧结收缩率，建立补偿模型； ③ 烧结后辅以机械打磨作为最终精加工手段，保证齿形精度。

4. 力学性能优化：目标是将烧结体的力学性能提升至接近工程应用水平。解决思路： ① 提高烧结温度（至 1000° C 以上）并优化保温时间，促进致密化；②探索烧结气氛（空气或真空）的影响，月球环境接近真空，需评估真空烧结效果。

五、实验方案与预期成果

基于申报书计划，补充建议如下：

· 材料表征：在 SEM/EDS 分析中，除成分外，应重点关注烧结后的微观结构，如气孔分布、晶粒生长、玻璃相形成等，这些是决定力学性能的根本因素。

· 性能对比：将最佳样品的力学性能与文献 [1， 2] 中的高性能数据以及传统陶瓷齿轮的要求进行对比，突出本工艺在简化材料体系后的性能优势或差距。

· 齿轮功能验证：成功打印并烧结出齿轮后，若能与其他打印件（如另一齿轮或轴）进行简单的啮合传动测试，将极大地增强项目的说服力和展示效果。

六、应用前景与结论

本项目探索的技术路径一旦成功，其意义将是革命性的：

1. 极致简化：将月球原位制造的材料需求简化到“月壤 + 水”的极致，大幅降低技术复杂度和运营成本。

2. 快速响应：可快速制造更换损坏的齿轮、轴承、工具手柄等小型关键零件，保障月球基地的持续运行。

3. 技术普惠：该技术可进一步拓展至制造其他工具（如扳手、螺丝刀头）、实验器材支架、甚至小型建筑构件，应用场景广泛。

结论：尽管以水和月壤为原材料进行 DIW 打印齿轮面临诸多挑战，但基于对月壤烧结机理的深入理解和现有高性能月壤陶瓷研究的有力支撑，该方案具备坚实的科学可行性。本项目的实施不仅有望制造出世界首个月壤陶瓷齿轮，更将探索出一条最大限度利用原位资源、极度简化供应链的月球制造新模式，为中国未来的月球探测与开发活动提供一项具有战略意义的技术储备。

论文资助项目：广东省高等学校珠江学者岗位计划项目（编号：0102202300037）、广东省教育厅普通高校重点科研平台和项目（编号：2022ZDZX3064 和 2023WCXTD035）、阳江市省科技创新战略专项（编号：SDZX2023019）、广州番禺职业技术学院科研项目（编号：2023KJ04）、广东大学生科技创新培育专项资金资助项目（编号：pdjh2025c10906）资助。

通信作者：陈盛贵，博士、副教授、高级工程师，1984 年10 月，广州职业技术大学艺术设计学院。