作为地球唯一的天然卫星，月球既是深空探索的潜在前哨站，也是通往更广阔太阳系的战略门户[1]、[2]。月球表面丰富的资源激发了全球建立月球基地和实现人类定居的努力的热情[3]、[4]、[5]。然而，建造永久性月球基地面临极大挑战，主要由于其极端的环境条件。月球没有大气层，处于超高真空状态，经历剧烈的温度循环变化，温度范围大约在-180°C到120°C之间[4]、[6]、[7]、[8]。月球还不断受到微陨石撞击以及太阳风和宇宙射线的强烈辐射[9]、[10]。此外，月球表面重力仅为地球的六分之一，这对人类健康和工程设计提出了独特挑战[11]、[12]、[13]。鉴于将材料从地球运输到月球的成本极高，采用就地资源利用（ISRU）技术已成为可持续月球建筑的重要策略。为应对这些挑战，提出了多种月球表土固化方法。根据其固化机制，现有方法可分为三类：粘合剂结合（如硫混凝土和聚合物）[14]、[15]；高温烧结或熔化[16]、[17]、[18]、[19]、[20]；以及基于水化的方法（如水泥基粘合剂和地质聚合物）[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。然而，每种方法都有显著局限性。例如，硫混凝土因无需水或地球来源的粘合剂而在月球应用中具有潜力，但其高脆性和在热循环下的逐渐降解限制了其在120°C以下温度下的使用[14]。基于波特兰水泥的混凝土表现出较高的机械强度、优异的低温抗性，并在低重力下保持结构完整性，但其大部分原材料必须从地球运输，导致成本高昂。聚合物粘合主要依赖于与月球表土颗粒的机械互锁，在极端月球条件下容易在界面处解离。此外，其对地球供应原材料的依赖性限制了其在真正原位应用中的适用性。高温烧结或熔化需要大量能源和复杂设备，在极端条件下可能失效，不适合大规模使用。除了这些化学和热方法外，还探索了机械方法用于月球表土固化。例如，耿等人提出了一种基于粉末挤出和被动辊压的新3D打印方案，通过机械压实实现了2-5 MPa的弯曲强度，且粘合剂使用量极低[45]。相比之下，基于月球表土的地质聚合物在外星建筑中具有显著优势，表现出适用于月球环境的关键性能，如高机械强度、优异的耐久性和在极端温度波动和辐射下的稳定性[30]、[31]。重要的是，它们的合成方式与ISRU原则高度契合。所需的碱激活剂可以从月球矿物中提取，表土本身是丰富的铝硅酸盐前体，所需的水可以从极地冰层获得。近年来，碱激活月球表土材料在月球原位建筑领域受到了广泛关注。耿等人开发了一种硅酸盐-月球表土复合材料，通过二氧化硅团簇的脱水在真空中自固化，仅使用4 wt%的粘合剂即可达到29 MPa的强度，这一机制与依赖密封热固化下铝硅酸盐溶解和新反应产物形成的碱激活地质聚合物化过程根本不同[44]。具体到碱激活系统，吴等人通过综合实验和统计分析系统研究了各种月球表土-激活剂组合。他们的发现确立了月球地质聚合物合成的关键原则：氢氧化钠最适合激活富含玻璃的表土，而硅酸钠更适合无玻璃的表土。他们还确定，60-80°C以上的热固化对于实现24小时内的适用强度至关重要[47]。此外，耿等人阐明了不同环境条件下的固化机制。他们发现，在密封固化下，固化是由强碱和高温（>64-75°C）驱动的地质聚合物化过程；而在真空环境中，高模量硅酸钠的脱水成为主导的固化途径[46]。这些研究为选择合适的激活剂-表土组合提供了实际指导，并提供了关于环境条件如何影响固化过程的机制洞察。
除了主要的结晶相外，月球表土还含有大量玻璃相，这些玻璃相是由月球的极端表面环境形成的。这些非晶相主要由陨石撞击和火山喷发产生。撞击导致矿物局部熔化，形成的非晶熔体在月球真空中迅速冷却形成多样的玻璃形态。类似地，火山喷发通过快速冷却喷出的岩浆产生细小的玻璃化液滴。另一种形式是凝集玻璃，它是由撞击熔体结合周围矿物和岩石碎片形成的。值得注意的是，这种玻璃在月球表面的分布差异显著。例如，嫦娥五号样本中的玻璃相含量在8.3%到20.0%之间，而阿波罗样本中的玻璃相含量则高达25.4%到72.3%[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。
从结构上看，月球玻璃是非晶态的，由于快速冷却过程，它们具有短程有序性但长程无序性。这一过程形成了由Si-O和Al-O四面体组成的互连网络，其中包含许多断裂和未饱和的键。这种高能量状态在碱性环境中导致其解聚，释放出高活性的硅酸盐和铝酸盐物种。这些物质随后发生缩聚，最终形成连续的三维凝胶基质。
尽管玻璃相在月球表土中的重要性得到了广泛认可，但玻璃含量和固化温度之间的协同作用，特别是它们如何共同控制反应动力学、相演变和材料性能，仍很大程度上未被探索。这一机制上的空白具有重要的实际意义：如果不了解玻璃含量和温度之间的相互作用，就无法为不同成分的表土优化固化条件，从而直接阻碍可靠的月球建筑。从科学角度来看，这一知识空白也限制了预测和理解月球系统中地质聚合物化行为的能力，因为不同着陆点之间玻璃含量的巨大差异增加了复杂性。为了填补这一关键知识空白，本研究系统研究了不同玻璃相含量对NaOH激活月球表土模拟体在不同热固化温度下的性能影响。通过全面的相分析和微观结构分析，本研究阐明了组成变量、反应机制和这些外星水泥基材料宏观性能之间的关键关系。
