康考迪亞大學利用風化層與PEEK混合提升3D打印月球建材原位利用率

2025年8月10日，南極熊獲悉，康考迪亞大學電氣工程系研究人員宣稱，正在研究將月球風化層模擬物（一種模擬月球表面物質運作方式的材料）與高性能熱塑性塑料聚醚醚酮（PEEK）混合，優(yōu)化增材制造工藝，最大化原位資源利用，為未來月球基地建設及太空任務降本增效提供了新思路。

△相關研究已在預印本平臺arXiv上公開，題目為“面向可持續(xù)月球制造的PEEK/月球風化層復合材料增材制造”（傳送門）

混合比例創(chuàng)新與工藝優(yōu)化

長期以來，利用月球風化層作為3D打印原料面臨機械性能下降與工藝難題，尤其在拉伸強度和材料脆性方面表現(xiàn)不佳。由康考迪亞大學電氣工程系Mohammed Azami領導的研究團隊采用了創(chuàng)新性“雙螺桿”擠出配置，顯著提升了模擬月球風化層模擬物(LRS)與PEEK的混合效率。此前，風化層含量受制于扭矩限制，最高僅可達30%。新工藝將風化層比例提升至50%，大幅增強了原位資源利用率。

△使用不同PEEK/LRS混合物打印的結構圖像

然而，在3D打印過程中，PEEK部件經常出現(xiàn)分層和翹曲現(xiàn)象。盡管這種情況在純PEEK打印件中很普遍，但添加LRS后會進一步加劇這一問題。為了解決分層和翹曲，研究人員采用了“筏”技術，即在主打印板上使用一種中間層來幫助打印件更好地粘合。他們選擇了聚醚酮酮（PEKK）作為筏材料，并設計了一個雙噴嘴系統(tǒng)，其中一個噴嘴用于打印PEKK，另一個用于打印LRS/PEEK組合。

通過提高LRS的濃度并解決了分層和翹曲的問題后，研究人員對樣品進行了退火處理。退火過程似乎對改善打印件的某些機械性能有所幫助，但效果有限。在LRS濃度較高的情況下，退火的益處并不顯著，因為風化層顆粒數(shù)量的增加導致PEEK聚合物鏈斷裂。相反，退火過程反而促進了PEEK的結晶生長。

△打印PEEK和PEEK/LRS復合材料的dsc衍生結晶和熱行為

機械性能測試與未來展望

針對不同LRS/PEEK比例樣品，團隊進行了系統(tǒng)的機械性能測試。雖然剛度顯著提升，但拉伸強度卻持續(xù)下降，并且在LRS濃度較高時更為明顯。混合材料的“斷裂伸長率”也下降了（即脆性增加），但最終研究人員確定，使用原位材料的最佳平衡方案是60% PEEK和40%風化層的混合物。這種混合物不會出現(xiàn)一些較為嚴重的機械性能下降，同時還能盡可能多地利用當?shù)刭Y源。

△打印LRS/PEEK復合材料拋光截面的后向散射SEM顯微照片

未來，研究人員計劃嘗試將LRS與不同的聚合物結合，并在模擬月球環(huán)境（例如真空和低重力環(huán)境）中進行更多測試。雖然3D打印技術在月球材料中的應用仍需進一步突破，但相關技術研究正為技術突破開辟新路徑。