一种含粘结集块岩的高保真嫦娥五号模拟月壤

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0139

摘要/Abstract

摘要：

月壤是月面原位资源利用（ISRU）的直接对象，而粘结集块岩作为月壤的重要组分，其微观结构直接影响ISRU技术的可靠性。然而，粘结集块岩内部标志性的亚微米/纳米级单质铁（Fe⁰）和多孔囊泡结构在实验室环境下难以复现，导致现有模拟月壤保真度普遍不足。本研究以嫦娥五号（CE-5）月壤为目标，通过精确矿物匹配与可控原位热还原工艺，重点攻克了玻璃基质中Fe⁰原位析出的制备难题，成功研制出高保真WUT-1模拟月壤。分析结果显示，WUT-1在化学成分、物相组成及宏观物理性质上与真实月壤高度吻合，并精准复现了非均质微观结构。该研究显著提升了模拟物在微观结构和基础物理化学性质上的科学保真度，可为月面着陆、原位建造及资源提取等关键技术的地面验证提供高可靠性测试材料。

关键词: CE-5模拟月壤, 人工合成粘结集块岩, 囊泡, 亚微米单质铁, ISRU

Abstract:

Lunar regolith is the primary object for in-situ resource utilization （ISRU）， and agglutinates， as a critical component， possess a complex microstructure that directly dictates the reliability of ISRU technologies. However， the sub-micron/nanoscale metallic iron （Fe⁰） and porous vesicular structures within agglutinates are extremely difficult to replicate under laboratory conditions， resulting in a general lack of scientific fidelity in existing lunar regolith simulants. Targeting the Chang’e-5 （CE-5） lunar regolith， this study successfully developed a high-fidelity simulant， WUT-1， through precise mineral matching and a controllable in-situ thermal reduction process， specifically overcoming the challenge of in-situ Fe⁰ precipitation within the glass matrix. Analytical results demonstrate that WUT-1 is highly consistent with the authentic lunar regolith in terms of chemical composition， phase mineralogy， and macro-physical properties， while accurately reproducing the heterogeneous microstructure. This research significantly enhances the scientific fidelity of the simulant in microstructure and fundamental physicochemical properties， providing high-reliability testing materials for the ground validation of key technologies such as lunar landing， in-situ construction， and resource extraction.

Key words: CE-5 lunar regolith simulant, synthetic agglutinate, vesicular, sub-micron Fe⁰, ISRU

中图分类号:

TU43

张青青, 朱泉峣, 肖磊, 孟子津, 孙华君. 一种含粘结集块岩的高保真嫦娥五号模拟月壤[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(8): 2749-2759.

ZHANG Qingqing, ZHU Quanyao, XIAO Lei, MENG Zijin, SUN Huajun. A High-Fidelity Agglutinate-Containing Chang’E-5 Lunar Regolith Simulant[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(8): 2749-2759.

图/表 20

图1 玄武岩的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of basalt

图2 玄武岩和CE-5月壤的矿物丰度［15］

Fig.2 Major mineral abundance of basalt and CE-5 lunar legolith［15］

表1 原材料和月壤的化学组成

Table 1 Chemical composition of raw materials and lunar legolith

Sample	Mass fraction/%
Sample	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	TFeO	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅
CE-5^［6］	42.20	5.00	10.80	22.50	0.28	6.48	11.00	0.26	0.19	0.23
Basalt	46.07	2.14	17.92	9.02	0.13	5.29	8.72	6.62	2.60	1.11
Fe₂O₃	0	0.03	0	99.95	0	0.01	0.01	0	0	0
Hedenbergite	47.29	0.04	0.68	25.67	1.87	1.79	22.40	0.06	0	0
Ilmenite	3.14	41.52	1.87	49.10	0.78	1.25	0.63	0	0	0
Forsterite	44.14	0	3.36	7.68	0.12	40.87	2.88	0.13	0	0

表2 模拟月壤原材料配比

Table 2 Mix proportion of raw materials for lunar legolith simulants

Mineral	Basalt	Hedenbergite	Forsterite	Ilmenite	Fe₂O₃
Mass fraction/%	50.18	29.98	7.06	10.78	2.00

图3 WUT-1模拟月壤和粘结集块岩的制备流程

Fig.3 Preparation procedure of WUT-1 lunar regolith simulant and agglutinates

图4 WUT-1模拟月壤和CE-5月壤的主要组成、XRD谱和矿物丰度

Fig.4 Major composition， XRD patterns， and major mineral composition of WUT-1 lunar regolith simulant and CE-5 lunar regolith

图5 WUT-1模拟月壤不同区域的SEM照片

Fig.5 SEM images of different zones of WUT-1 lunar regolith simulant

图6 粘结集块岩的显微图像［11］

Fig.6 Microscopic image of agglutinates［11］

图7 粒度分布曲线

Fig.7 Particle size distribution curves

表3 基于体积的粒径参数与计算统计参数

Table 3 Volume-based particle size parameters and computational statistical parameters

Material	$D 10$ /μm	$D 30$ /μm	$D 50$ /μm	$D 60$ /μm	$C u$	$C c$	$Φ M d$ /φ	$Φ M n$ /φ	$σ S$	$S k$	$K r$
WUT-1	4.55	22.58	52.81	69.70	15.32	1.61	4.25	4.71	1.90	0.29	1.06
CE-5^［15］	4.90	24.12	54.23	70.31	14.35	1.69	4.21	4.66	1.97	0.37	1.11

表3 基于体积的粒径参数与计算统计参数

Table 3 Volume-based particle size parameters and computational statistical parameters

Material	$D 10$ /μm	$D 30$ /μm	$D 50$ /μm	$D 60$ /μm	$C u$	$C c$	$Φ M d$ /φ	$Φ M n$ /φ	$σ S$	$S k$	$K r$
WUT-1	4.55	22.58	52.81	69.70	15.32	1.61	4.25	4.71	1.90	0.29	1.06
CE-5^［15］	4.90	24.12	54.23	70.31	14.35	1.69	4.21	4.66	1.97	0.37	1.11

图8 粘结集块岩颗粒的2D切片图

Fig.8 2D slice images of agglutinate particles

图9 阿波罗月壤［9］和WUT-1模拟月壤粘结集块岩的SEM照片

Fig.9 SEM images of agglutinates from Apollo lunar regolith［9］ and WUT-1 lunar regolith simulant

图10 室温冷却条件下粘结集块岩3D重建渲染图

Fig.10 3D reconstruction rendering images of agglutinate at ambient cooling

图11 淬火冷却条件下粘结集块岩3D重建渲染图

Fig.11 3D reconstruction rendering images of agglutinate at quenching

图12 室温冷却条件下粘结集块岩囊泡分布

Fig.12 Vesicles distribution of agglutinate at ambient cooling

图13 淬火冷却条件下粘结集块岩囊泡分布

Fig.13 Vesicles distribution of agglutinate at quenching

图14 室温冷却条件下粘结集块岩颗粒的SEM照片

Fig.14 SEM images of agglutinate particles at ambient cooling

图15 室温冷却条件下粘结集块岩Fe0颗粒的粒度分布直方图

Fig.15 Particle size distribution chart of Fe0 particles in agglutinates at ambient cooling

图16 淬火冷却条件下粘结集块岩颗粒的SEM照片和Fe0颗粒的粒度分布直方图

Fig.16 SEM image and particle size distribution chart of Fe0 particles in agglutinates at quenching

表4 WUT-1及其他六种模拟月壤与真实月壤参数汇总

Table 4 Summary of parameters for WUT-1， six other lunar regolith simulants， and actual lunar regolith

Material	G_s/（g·cm^-3）	ρ_max/（g·cm^-3）	ρ_min/（g·cm^-3）	e_min	e_max	n_min	n_max
CAS-1^［24］	—	—	—	0.80	1.10	—	—
JSC-1^［25］	2.90	1.33	1.80	0.61	1.17	0.38	0.54
WUT-1	3.22	1.65	2.00	0.61	0.96	0.38	0.49
IGG-01^［8］	3.33	1.69	2.03	0.64	0.97	0.39	0.49
PolyU-1^［7］	3.17	1.22	1.83	0.72	1.63	0.42	0.62
JSC-1A^［25］	2.88	1.57	2.03	0.41	0.83	0.29	0.45
UoM-B^［26］	3.52	1.37	1.97	0.78	1.56	0.44	0.61
CE-5^［6］	3.20	—	—	—	—	—	—
Apollo lunar mare regolith^［17］	2.30~3.24	0.87~1.26	1.92	0.67	2.37	0.42	0.97

参考文献 26

[1]	LI C L， WANG C， WEI Y， et al. China’s present and future lunar exploration program［J］. Science， 2019， 365（6450）： 238-239.
[2]	SINHA R K， RANI A， RUJ T， et al. Geologic investigation of lobate scarps in the vicinity of Chandrayaan-3 landing site in the southern high latitudes of the moon［J］. Icarus， 2023， 402： 115636.
[3]	CREECH S， GUIDI J， ELBURN D. Artemis： an overview of NASA’s activities to return humans to the moon［C］//2022 IEEE Aerospace Conference （AERO）. March 5-12， 2022， Big Sky， MT， USA. IEEE， 2022： 1-7.
[4]	SUN X M， ZHANG R， LI X J， et al. JLU-H： a novel lunar highland regolith simulant for use in large-scale engineering experiments［J］. Planetary and Space Science， 2022， 221： 105562.
[5]	ZHANG L， LV J G. Shear properties of lunar regolith simulants［J］. Procedia Engineering， 2014， 73： 178-185.
[6]	LI C L， HU H， YANG M F， et al. Characteristics of the lunar samples returned by the Chang’e-5 mission［J］. National Science Review， 2021， 221： 105562.
[7]	ZOU Y， WU H Y， CHAI S P， et al. Development and characterization of the PolyU-1 lunar regolith simulant based on Chang’e-5 returned samples［J］. International Journal of Mining Science and Technology， 2024， 34（9）： 1317-1326.
[8]	RUAN R H， YANG W， ZHANG D， et al. A moderate-Ti lunar mare soil simulant： IGG-01［J］. Acta Astronautica， 2024， 224： 148-160.
[9]	SEN S， BUTTS D， RAY C S， et al. Production of high fidelity lunar agglutinate simulant［J］. Advances in Space Research， 2011， 47（11）： 1912-1921.
[10]	CARRIER W D III. Particle size distribution of lunar soil［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2003， 129（10）： 956-959.
[11]	CHEN Y， HU S， LI J H， et al. Chang’e-5 lunar samples shed new light on the Moon［J］. The Innovation Geoscience， 2023， 1（1）： 100014.
[12]	FOLK R L， WARD W C. Brazos River bar： a study in the significance of grain size parameters［J］. Journal of Sedimentary Research， 1957， 27（1）： 3-26.
[13]	SPRAY J G. Generation of a lunar regolith agglutinate simulant using friction welding apparatus［J］. Planetary and Space Science， 2010， 58（14/15）： 1771-1774.
[14]	LONG-FOX J M， BRITT D T. Characterization of planetary regolith simulants for the research and development of space resource technologies［J］. Frontiers in Space Technologies， 2023， 4： 1255535.
[15]	ZHANG H， ZHANG X， ZHANG G， et al. Size， morphology， and composition of lunar samples returned by Chang’e-5 mission［J］. Science China Physics， Mechanics & Astronomy， 2021， 65（2）： 229511.
[16]	YANG W， WANG Y， GAO L， et al. Sci-tech arts on Chang’e-5 lunar soil［J］. The Innovation， 2022， 3（5）： 100300.
[17]	MCKAY D S， HEIKEN G， BASU A， et al. The lunar regolith， in： lunar sourcebook［M］. Research supported by NASA. Cambridge， England， Cambridge University Press， 1991， 285-356.
[18]	HUANG T J， GANJU E， TORBATISARRAF H， et al. Advanced microstructural and compositional analysis of a lunar agglutinate from the Apollo 11 mission［J］. Meteoritics & Planetary Science， 2024， 59（6）： 1455-1472.
[19]	SPARKS R S J. The dynamics of bubble formation and growth in magmas： a review and analysis［J］. Journal of Volcanology and Geothermal Research， 1978， 3（1/2）： 1-37.
[20]	XIONG M C， WU Y X， YAO W Q， et al. The formation mechanisms of np-Fe⁰ in lunar regolith： a review［J］. Materials， 2024， 17（23）： 5866.
[21]	GUTAFSON R J， EDMUNSON J E， RICKMAN D L. Manufacturing high-fidelity lunar agglutinate simulants［C］//Space Resources Roundtable Ⅻ Golden， 2010.
[22]	SLYUTA E N. Physical and mechanical properties of the lunar soil （a review）［J］. Solar System Research， 2014， 48（5）： 330-353.
[23]	TAYLOR L A， MEEK T T. Microwave sintering of lunar soil： properties， theory， and practice［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2005， 18（3）： 188-196.
[24]	ZHENG Y C， WANG S J， OUYANG Z Y， et al. CAS-1 lunar soil simulant［J］. Advances in Space Research， 2009， 43（3）： 448-454.
[25]	MCKAY D S， CARTER J L， BOLES W W， et al. JSC-1： a new lunar soil simulant［J］. American Society of Civil Engineers， 1994： 857-866.
[26]	JUST G H， JOY K H， ROY M J， et al. Geotechnical characterisation of two new low-fidelity lunar regolith analogues （UoM-B and UoM-W） for use in large-scale engineering experiments［J］. Acta Astronautica， 2020， 173： 414-424.