近日，中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院柏伟教授团队联合中国地质大学（武汉）行星科学研究所、北京卫星制造厂，为提升月壤烧结件的致密度与力学性能，提出超声振动诱导的月壤压制—烧结方法。研究结合颗粒三维形貌表征、离散元模拟与模拟月壤成型试验，揭示了超声激励向深层传播、颗粒重排及力链重构促进均匀致密化机制，并试验验证了该方法对烧结密度、抗压强度和硬度均匀性的改善效果。月球重力下的对比模拟表明，超声仍能促进颗粒重排并降低压头载荷，为该工艺的低重力适用性提供了数据支撑。相关成果以“Density-enhanced in-situ consolidation and construction of lunar regolith via ultrasonic-induced densification”为题发表于《Construction and Building Materials》（中科院 1 区TOP期刊‌、‌JCR Q1‌）。

利用月壤制备功能构件，是月面原位资源利用的重要研究方向。月壤颗粒的不规则形貌易引起相互嵌锁，并形成由颗粒接触组成的承载力链。其中，拱架状力链会阻碍载荷向深层传递，使常规压制产生上部致密、下部疏松的结构差异。围绕该问题，本研究重点分析超声振动激励在颗粒堆积体中的传播、颗粒运动与接触网络的演化，以及该过程对载荷传递和压实均匀性的影响。

图1 超声辅助压制—烧结工艺及月面原位利用场景示意图。

超声激励的能量深层传播与颗粒动力学响应

分层动能分析显示，超声激励的传播随压实过程呈现阶段性变化。初期，颗粒堆积较疏松，压头与上层颗粒接触尚不充分，中下层动能较低；随着接触逐步建立，上层颗粒动能增加，中下层动能出现明显波动并总体上升，表明激励向深部传播，促进了中下层颗粒重排与局部滑移。

压实后期，靠近压头的颗粒形成紧密嵌锁，深部摩擦与嵌锁作用增强，振动活动逐渐集中于上层，中层动能增长趋缓、下层动能基本稳定。常规压制下，中下层颗粒在大部分压制阶段维持较低动能，深部重排受到限制。上述对比表明，超声在压实早期和中期能够有效激活深层颗粒，为改善压实均匀性提供条件。

图2 超声辅助与常规压制过程中各层颗粒的动能演化及空间分布。

单个振动周期内的分析进一步显示，压头往复运动将动能输入颗粒体系，激励向下传递并可到达模底。受模壁和周围颗粒约束，深层颗粒发生碰撞与重排，压缩局部孔隙。周期尺度与分层动能分析共同说明，超声作用能够传递至堆积体深部，而非仅局限于压头附近。

力链重构与深层载荷传递促进均匀致密化

接触力网络与孔隙率分布表明，常规压制中的较强接触力集中于上部，深层接触较弱，呈现上部致密、下部疏松的特征。超声辅助下，颗粒重排促进了中下部接触，较强接触力分布更均匀，上下区域的孔隙率差异与孔隙率标准差总体较小，表明压实均匀性得到改善。

图3 超声辅助与常规压制下的孔隙率分布、统计结果及接触力网络。

在地球重力模拟中，压实末期下层与上层颗粒平均受压水平之比，由常规压制的约13%提高至超声辅助下的约25%。相同位移下，超声辅助所需压头载荷较低，载荷向深层传递得到改善，揭示了扰动拱架、重构力链并促进深层载荷传递的致密化机制。

图4不同重力下的压头载荷，以及地球重力下各层颗粒的平均受压响应。

本文的核心贡献

本研究的核心贡献，其一是将三维颗粒形貌引入离散元分析，揭示超声激励向深层传播、颗粒重排与局部类对流迁移的动力学过程；其二是结合接触力网络和孔隙率演化，阐明缓解嵌锁、重构力链和改善深层载荷传递对均匀致密化的作用，并以模拟月壤试验验证烧结性能的改善；其三是通过月球重力下的对比模拟，考察超声辅助重排与降低压头载荷作用的延续性，为工艺的低重力适用性提供数值依据。

研究为面向月壤原位制造与建造的压制技术提供了颗粒尺度的机理阐释，也为制备高密度、高强度和性能均匀的月壤基构件提供了工艺参考。其设备质量、功耗、生产效率与构件性能之间的综合平衡，仍需通过更大尺度样机进行定量评估。

论文与团队信息

论文第一作者为中国地质大学（武汉）李坤旭，通讯作者为柏伟，共同作者包括殷德鹏、左洋和肖龙。研究由中国地质大学（武汉）与北京卫星制造厂合作完成。

论文引用

Li K, Bai W, Yin D, Zuo Y, Xiao L. Density-enhanced in-situ consolidation and construction of lunar regolith via ultrasonic-induced densification. Construction and Building Materials, 2026, 545: 148481.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2026.148481