我国首次精准测定月壤单颗粒热导率，发现天然超绝热材料
摘要： 由中国科学院空间应用中心、清华大学与中科院地球化学研究所组成的联合研究团队，首次成功实现嫦娥五号月壤单颗粒热导率精准测量。研究发现，月壤中胶结物颗粒在真空条件下的热导率低至约 8 mW·m⁻¹·K⁻¹，其绝热性能媲美人造高性能气凝胶，是目前报道的热导率最低的天然物质。这一突破从微观尺度揭示了月表极端热环境的成因，也为研发新型极端环境绝热材料提供了自然范本。
图片来源：国家航天局
研究背景与颗粒分类
月壤颗粒按形貌可分为三类：胶结物、岩屑与玻璃珠。其中胶结物是月表太空风化的典型产物，玻璃质基体由撞击熔融形成，内部包裹斜长石、辉石、橄榄石等矿物碎片，快速冷却过程中气体被捕获形成纳米至微米级多级孔隙结构。
三类颗粒孔隙率差异显著：胶结物约 17.78%，远高于岩屑（4.02%）和玻璃珠（1.38%）。
关键测试结果
研究团队采用自主设计的悬臂式 H 型微纳热桥装置，在高真空环境下测定月壤单颗粒本征热导率：
| 颗粒类型 | 热导率（253 K） | 对比 |
|---|---|---|
| 胶结物 | ~8 mW·m⁻¹·K⁻¹ | 基准 |
| 岩屑 | ~27–79 mW·m⁻¹·K⁻¹ | 胶结物的 3–5 倍 |
| 玻璃珠 | ~120–490 mW·m⁻¹·K⁻¹ | 胶结物的 1–2 个数量级 |
胶结物是月壤中隔热能力最强的组分，其热导率相比理想致密矿物晶体降至约 12%。
物理机制
胶结物的超低热导率源于其独特的多尺度结构：
- 非晶态熔融玻璃胶结多种矿物碎屑，原子无序排列限制声子平均自由程
- 纳米至微米级多级孔隙网络显著增强声子散射与界面热阻
- 多相界面（斜长石、橄榄石等与玻璃相之间）存在显著振动态不匹配，界面热阻可达理想晶体界面的 1000 倍
应用前景
- 月表热环境建模：为着陆器和原位设备热设计提供可靠物性参数
- 原位资源利用：为月壤原位制造、挥发分提取等工艺提供传热行为预测依据
- 新材料研发：月壤胶结物的多尺度结构为研发新型极端环境绝热材料提供了自然范本