康考迪亞大學(xué)利用風(fēng)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(xué)電氣工程系研究人員宣稱，正在研究將月球風(fēng)化層模擬物（一種模擬月球表面物質(zhì)運(yùn)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(lái)月球基地建設(shè)及太空任務(wù)降本增效提供了新思路。

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

混合比例創(chuàng)新與工藝優(yōu)化

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

△使用不同PEEK/LRS混合物打印的結(jié)構(gòu)圖像

然而，在3D打印過程中，PEEK部件經(jīng)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(huì)進(jìn)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(shù)，即在主打印板上使用一種中間層來(lái)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(shè)計(jì)了一個(gè)雙噴嘴系統(tǒng)，其中一個(gè)噴嘴用于打印PEKK，另一個(gè)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(duì)樣品進(jìn)行了退火處理。退火過程似乎對(duì)改善打印件的某些機(jī)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?yàn)轱L(fēng)化層顆粒數(shù)量的增加導(dǎo)致PEEK聚合物鏈斷裂。相反，退火過程反而促進(jìn)了PEEK的結(jié)晶生長(zhǎng)。

△打印PEEK和PEEK/LRS復(fù)合材料的dsc衍生結(jié)晶和熱行為

機(jī)械性能測(cè)試與未來(lái)展望

針對(duì)不同LRS/PEEK比例樣品，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了系統(tǒng)的機(jī)械性能測(cè)試。雖然剛度顯著提升，但拉伸強(qiáng)度卻持續(xù)下降，并且在LRS濃度較高時(shí)更為明顯�；旌喜牧系摹皵嗔焉扉L(zhǎng)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(fēng)化層的混合物。這種混合物不會(huì)出現(xiàn)一些較為嚴(yán)重的機(jī)械性能下降，同時(shí)還能盡可能多地利用當(dāng)?shù)刭Y源。

△打印LRS/PEEK復(fù)合材料拋光截面的后向散射SEM顯微照片

未來(lái)，研究人員計(jì)劃嘗試將LRS與不同的聚合物結(jié)合，并在模擬月球環(huán)境（例如真空和低重力環(huán)境）中進(jìn)行更多測(cè)試。雖然3D打印技術(shù)在月球材料中的應(yīng)用仍需進(jìn)一步突破，但相關(guān)技術(shù)研究正為技術(shù)突破開辟新路徑。