月球是空间研究的关键目标，为我们提供了测试和改进周围技术的机会。开发外星栖息地需要选择多种材料，以支持发电、生命维持和结构工程等应用[1]。与从地球运输材料相比，利用当地可获得的地质材料进行原位资源利用（ISRU）是一种具有吸引力和高效的方法，特别是在成本、物流和能源方面。利用月球表土制造各种材料并建设月球基础设施是当前月球ISRU技术体系中的关键环节[2,3]。月球表土主要由岩石和矿物碎片、玻璃（由月球表面的熔融事件形成）、凝集物（由微陨石撞击形成的含铁熔融玻璃颗粒）、硅酸盐（辉石、橄榄石、斜长石）、纳米相铁以及少量的铝、钙、镁和钛组成。每种成分的浓度取决于月球表面的具体位置（月海区域或高地区域）[4,5]。月球土壤的主要成分是SiO2，其浓度在40%到50%之间变化。其他氧化物，包括Al2O3和FeO，其浓度范围分别为6–28.0 wt%和4–24 wt%，这取决于它们是存在于主要由斜长岩材料组成的高地还是由玄武岩材料组成的月海土壤中。此外，月海玄武岩中可能含有高达8.4 wt%的TiO2，主要以钛铁矿（FeTiO3的形式存在[6]。
月球表土可以通过ISRU加工成建筑材料（砖块、管道、承重构件和窗户）、绝缘材料（热绝缘和电绝缘）、辐射屏蔽材料以及容器[7]。对于建筑和ISRU，表土可以通过固态颈生长进行烧结，或者完全熔化后固化成玻璃或玻璃陶瓷。微波、太阳能或激光烧结工艺通过颗粒接触点的粘性流动和扩散来增强材料的强度。然而，综述也指出了其中的进展和持续挑战，包括规模化问题、真空条件、1/6重力效应以及温度梯度[8,9]。在类似月球成分的样品上进行的实验表明，随着熔融温度的升高和冷却方案的优化，密度、硬度和抗压强度都会增加[10,11]。通过熔化月球表土制成的材料具有高密度和优异的力学性能，使其适用于极端月球环境中的长期服务任务[12]。除了传统的烧结或熔化方法外，当前关于月球土壤烧结和熔化成型的研究还结合了3D打印技术，利用激光[13,14]或太阳能[15,16]技术来制造各种产品。然而，低生产效率和复杂的设备限制了这些技术在月球大规模建筑材料生产中的应用。例如，Zocca等人研究了JSC-2A玄武岩月海表土模拟物的烧结和熔化行为，该模拟物具有高玻璃含量（高达50%的SiO2和低钛含量<4.5%）。此外，还讨论了月球表土增材制造的工艺优化[17]。同样，Liu等人分析了CUG-1A月球表土模拟物的熔化特性，并考虑了熔化温度范围、熔体粘度、可加工性范围以及熔体与基底之间的接触角，以推进原位建造技术的发展，包括使用能量束聚焦熔化月球表土[18]。Kost等人研究了两种类型月球表土（TUBS-M（玄武岩材料）和TUBS-T（斜长岩基岩）的热导率与烧结温度的关系，这两种模拟物都是由布伦瑞克空间系统研究所（IRAS）开发的。两种模拟物的热导率都随着烧结温度的升高而增加；然而，在达到最高烧结温度后，热导率开始下降[19]。
一种有效的建造铺路材料、设备基础和防辐射掩体的方法是使用电阻加热进行原位玻璃化[20,21]。在此过程中，将两个或多个圆柱形碳电极插入月球表土中，并在它们之间放置石墨和月球表土颗粒的混合物作为导电起始路径。当电极通电时，电极下方的半球形区域的月球表土会逐渐熔化，由于焦耳加热效应形成熔池。最后，移除电极后，数千吨的熔融月球表土在几个月内冷却成固体材料。对阿波罗玄武岩动态结晶实验的分析表明，其成核密度和晶体尺寸与近地表熔岩体冷却时的特性一致。这表明异质成核是主导过程，而纹理带则表明在沉积和淬火过程中的冷却速率存在波动。目前关于三维形态和晶体尺寸分布的研究继续通过晶体结构特征来阐明喷发深度和冷却历史[22]。值得注意的是，Troctolite 76535是分析深层缓慢冷却岩浆的重要参考点。然而，最近的高分辨率显微分析发现了化学异质性，表明存在相对快速的冷却阶段，这修正了“单调缓慢冷却”的简单观点。此外，古地磁学和仪器分析以及扩散计时提供了对其热历史和时间尺度的进一步限制。这些结果共同表明，即使是深层的月球岩浆也可能经历复杂的、非稳定的固化现象，包括分阶段冷却、熔体迁移和温度波动[23,24]。
如前所述，月球表土是由矿物和岩石碎片、火山玻璃和撞击玻璃以及凝集物组成的。这些材料是在地表或接近地表处通过极快速的局部熔化和淬火形成的，产生了多孔的玻璃状涂层和颗粒级别的成分差异。基于嫦娥五号的最新发现，已经表征了撞击玻璃的多样性和起源，提供了关于其熔源和淬火历史的见解[25]。通过冷却过程中熔融表土的结晶，制备了一种玻璃陶瓷（GC）材料[26]。据报道，其热膨胀系数在30–920°C（软化点）的温度范围内为6.42 × 10−6至9.82 × 10−6 °C−1，而热导率和比热容与混凝土相当。室温下的最终抗压强度达到67.1 ± 31.9 MPa，弯曲强度为100.7 ± 31.3 MPa，远高于地球上使用的传统水泥。
然而，据我们所知，关于从月球表土模拟物制备GCs及其在可持续太空任务中应用潜力的研究报道有限。在本研究中，使用了来自中国东北部长白山火山带的玄武岩火山岩作为原材料，并通过标准熔融淬火技术将其转化为玻璃。为了分析结晶行为对力学性能（如抗压强度、硬度、弹性模量）的影响，并评估其作为月球建筑材料的潜力，将所得玻璃样品在不同温度下（800至1100°C）进行热处理，以形成玻璃陶瓷（GCs），同时考虑了不同的浸泡时间。
