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0 前言
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月球作为人类下一步深空探测开发与使用的地外空间前哨站，自从 1969 年阿波罗（Apollo）十一号载人飞船登月以来，便被世界各航天强国争相作为未来科技竞争的高地之一展开科学研究。截至目前，全球范围内仍席卷着月球探测的热潮；其中，美国计划着借助新一代“猎户座”（Orion）飞船加速实施“阿尔忒弥斯”（Artemis）月球探测任务，并于 2025 年前后“重返月球”；俄罗斯联邦航天局 （ROSCOSMOS）提出计划将于 2025 年发射绕月站， 2030 年实现载人登月；此外，一些不具备独立发展月球探测任务的国家也正在通过协作的形式积极开展研究，不乏有部分国家加入由美国主导的“阿尔忒弥斯”计划[1]。前期中国探月任务取得一系列重要成果，其中“嫦娥五号”探测器实现首次地外天体采样返回，标志着探月工程“绕、落、回”三步走计划圆满收官。《2021 中国的航天》白皮书中公布未来任务中我国将进一步开展月球极地考察与月球基地建设等试验项目[2-3]。
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在月面众多的空间环境因素中，月尘是未来月球探测、载人登月、月面科考与月球基地建设等科研任务中不可忽视的因素。研究表明，月尘如图1 所示，是存在于月球表面的极其细小的颗粒，表面呈不规则形状，平均直径为 40～130 μm，它由于独特的物理、化学性质，极易吸附于探测器及航天服表面造成设备失效并引发危害[4-7]。
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图1 “嫦娥五号”月壤颗粒 SEM 图像[7]
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Fig.1 “Chang’e-5” lunar dust SEM image[7]
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当飞扬的月尘颗粒受到深空环境下的静电作用时，便会充满电荷吸附于月球车、航天服等设备表面，不规则形状的月尘颗粒与设备表面发生摩擦磨损从而造成机械损伤，图2 为 Apollo 任务中被月尘污染的宇航服；当月尘吸附于航天器电源系统时，容易导致该系统热辐射与热吸收平衡失效，无法进行正常工作；当月尘吸附于航天服并被航天员带入月球基地吸入身体时，对健康产生严重危害[8-16]。因此，NASA 认为“月尘将会是人类月面科考和长期驻留时面临的主要问题之一”，并将月尘对航天器空间机构材料磨损特性的影响研究等级评为“高级”。本文分别从月尘吸附微观机理、吸附力测试与典型防护技术等方面对月尘与航天器表面微观交互作用进行总结，指出当前存在问题，并进行展望。
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图2 Appllo 宇航服月尘沾染状态[16]（a）躯干（b）背部（c）膝盖（d）腿部（e）登月靴（f）左肩
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Fig.2 Appllo spacesuit lunar dust contamination[16]: (a) torso; (b) back; (c) knees; (d) legs; (e) lunar boots; (f) left shoulder.
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1 月尘颗粒的微观吸附机理
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路子威等[17]研究了载人航天任务中不同材质航天服在近地空间环境所面临的尘埃吸附作用，认为随着航天员在空间站建成后的长期驻留及出舱作业，所采用航天设备都须将空间尘埃吸附、污染问题等纳入重点研究解决范畴。月球环境相较于近地轨道更加复杂，发生的吸附现象更加严重，因此要攻克月尘防护技术方面的困难，应当优先分析月尘的物理、化学性质，并将单一月尘颗粒的微观吸附过程拆分后建立对应的力学模型，从而实现更加真实、准确的地面模拟试验环境。
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1.1 月尘基本特性
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月尘极为细小且广泛分布于月球表面，对其开展研究相当必要。研究人员通过将现有采集到的月壤样品进行筛分发现约 90%月尘粒径小于 1 mm， 70%月尘粒径小于 100 μm，且其粒度随着在月球表面不同采集位置而产生细微变化，月海处的月尘颗粒相较于高地处更加细小。在目前开展的试验中，通常根据所研究领域的侧重不同，由湿法筛分将月尘按粒径分类为 1 mm 与 20 μm 两类量级应用于科研试验。
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月尘主要由非晶质玻璃、斜长石、辉石、橄榄石、钛铁矿等成分组成，其中 SiO2含量高达 50%， Al2O3的占比为15%，CaO、MgO各自的占比为10%； 除此之外，月尘还包含几乎所有微量元素，由十亿分之一到百万分之一不等，均能够在月尘中发现[18-19]。除了影响月尘粒径外，不同采集位置的月尘颗粒，其化学元素成分变化也较大；其中月海处辉石成分含量较高，而高地处斜长石成分更高[20]。
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月尘的元素组成导致其具有低导电率与介电损耗等物理特性，因此在深空环境的高温与辐照条件下极易充满电荷且难以流失，这些带电月尘在电场作用下如图3 所示，挣脱引力后发生静电悬浮，悬浮高度甚至能够达到 100 km，经过一段时间后再次落回月面，整个漂浮过程被建立为月尘迁移“喷泉模型”[5，21-22]。
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静电悬浮扬尘是造成月尘悬浮非常重要的方式之一，故该问题一直作为核心问题进行研究。此外，受激漂浮是另一种月尘悬浮的原因，是指其受到微陨石撞击、外部活动等因素作用下引发的月尘颗粒四散飞扬。
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图3 月尘漂浮及扬尘示意图[5]（a）悬浮模型（b）扬起模型
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Fig.3 Diagram of lunar dust floating and dust lifting[5]: (a) suspension model; (b) lifting model.
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1.2 月尘模拟物制备
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月尘物理、化学性质的研究对开展月尘吸附模拟试验具有深远意义，但截至目前，人类通过月球探测成功取回的月球样品总计不足 385 kg；包括美国 6 次载人登月共获得约 382 kg；苏联 3 次无人月球采样获得约 0.326 kg；我国“嫦娥五号”探测器获得约 1.731 kg[23-24]。真实月尘样品弥足珍贵，并不能够满足各类科学研究需求，所以世界各航天强国均开展了模拟月尘制备的相关工作。国内在模拟月尘制备方面起步较晚，目前主要研究机构包括航天五院、中科院地化所、国家天文台和北京航空航天大学等单位。此前，李蔓等[25]以火山灰为主要制备原料，研究出一种与国外典型模拟月尘性质相似并可适用于月球探测的模拟月尘，但是该模拟物成分与真实月尘仍有一定差异。此后，针对模拟月尘成分存在差异的问题，孙浩等[26]引入斜长石矿物原料，通过部分熔融和完全熔融两种技术路线制备出 BHLD20 模拟月尘，使其在粒度、表面形貌以及化学成分等方面能够与真实月尘高度相似，较好地匹配了相关模拟试验，对月尘吸附试验的真实性产生积极的影响。
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目前月尘模拟物制备等技术的研究仅仅是关于月壤广泛研究的一个方面，除此以外仍有较多研究工作同步进展。例如，张小平等[27]正聚焦于月尘颗粒的生物毒性在载人登月及长期月面驻留任务中对人体健康状况是否具有影响的研究；李陶林等[28]针对月尘环境下使用的舱外航天服外层面料芳纶 1313 再次进行修饰与验证，通过改善服饰外部导电性能及其表面结构降低月尘带电粒子在静电作用下的吸附；董泰郎等[29]针对月球中整体（局部）明暗交界区域的月尘输运异样展开分析，降低了未来对月球车等设备及航天员发生的潜在危害的风险。月尘研究涉及方方面面，尤为重要。
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1.3 微观吸附模型的建立
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月尘颗粒吸附机理相对复杂，若仅根据宏观月尘颗粒扬尘试验展开研究，试验具有一定局限性，难以从量化角度进行分析。因此，研究人员选择在微观角度对单一月尘颗粒的吸附过程进行拆解并建立了受力模型。结果显示，在超高真空月球环境中，月尘颗粒与样品表面的吸附力主要由范德华力与静电力构成；但由于地面模拟环境中存在水分，所以还须要考虑毛细力对试验产生的影响[30]。因此，吸附力模型可用下列公式表示为：
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式中， Fad 为吸附力； Fvdw 为范德华力； FE 为静电力；Fc 为毛细力。下文将对吸附力中所受到的不同分力逐一构建模型进行说明。
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1.3.1 范德华力吸附模型
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范德华力是一种如图4 所示的原子与分子之间依赖于距离产生的相互作用力，包括有原子、分子与表面之间的吸引力、排斥力，以及其他分子间力。范德华力是一种短距离力，在距离小于 10 nm 时其作用占主导地位；同时，范德华力也与表面能、表面形貌等参数密切相关。
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图4 两个表面粗糙微颗粒接触示意图[31]
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Fig.4 Schematic diagram of contact between two rough surface micron-nano-sized particles[31]
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由于需要实际应用在月尘与样品表面间的范德华力计算，两者接触界面均不属于理想平滑状态，于是 RUMPF 理论[31]对粗糙表面范德华力的计算提出下列公式：
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式中，A 为 Hamaker 常数，其数值将随着不同物质属性改变；r 为微凸体顶端半径；R 为所测微粒的半径；z0 为所测微粒在样品表面之间的平衡距离。
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范德华力方程中所使用的Hamaker常数在水中为 0.01 aJ，小于空气中的 0.07 aJ[32]，且随着空气中水分增加，毛细力不断增大并作为吸附作用的主要影响因素；但月球是一个干燥的环境，样品表面的月尘吸附主要是受到范德华力影响。此时范德华力显著大于静电力，在吸附力中占比达到 80%。因此，月球环境是可以通过降低表面能与改变表面形貌的方式减少范德华力作用，间接实现降低月尘吸附的效果[33]。
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1.3.2 静电力吸附模型
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月球环境下，月尘同时会受到由静电力所导致的吸附作用。其中，静电作用所引发的月尘颗粒吸附主要包括三个原因，分别是月尘特性、月表环境及航天器表面材料[34]。月尘中大量纳米金属铁使其具有电导率低、电荷衰减慢的特性，因此月球环境中离子（电子）附着、二次电子发射、光电效应、摩擦等原因使月尘颗粒充满电荷且不易于被中和。月尘在电场较强的月球表面反复充放电后受到电场力，同时带电月尘与航天器表面又再次产生感应静电力。穆萌[35]对月尘颗粒静电力受力机理进行细致研究后，将月尘颗粒受到的镜像静电力 Fes、双电层静电力 Fel 与电场力 Fe 之和总结为静电力 FE，其解析模型如图5 所示，可由下式表示：
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式中，Z0 为月尘颗粒与表面接触的平衡间距；ε0 为真空电容率；Qdust 为月尘颗粒带电量；Ue 为微观接触电势差；R 为月尘颗粒半径；E 是月球电场强度； d 为月尘距月球表面大小。
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图5 月尘颗粒表面电荷分布[35]
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Fig.5 Surface charge distribution of lunar dust particles[35]
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带电月尘受静电作用吸附在航天器表面难以清除，并且月球表面是没有气体分子存在的超清洁环境，静电效应会随湿度减小而增大，静电力在吸附作用中占比也相应增大。
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当前月尘静电吸附解析模型的研究已在相关试验不断修正、完善的基础上将静电吸附力测量、计算误差降低至较小范围，但月球静电场与地球磁场的复杂耦合作用对月尘产生的影响相关研究仍较为缺乏。
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1.3.3 毛细力吸附模型
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地面环境下，湿度是表现大气干燥程度的物理量，也反映了大气中水分的含量。空气中的水会部分凝结于物体表面，且吸附在表面的水分子数量取决于样品材料的种类和表面粗糙度、空气中水汽的含量等物理因素。当水分以薄薄一层水膜的形式停留于物体表面时，水中的表面张力便会产生一种力，称为毛细力。
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毛细力计算较为困难，其在计算过程中代入不同取值参数会产生较大差异，例如水膜厚度等，仅仅当相对湿度接近 100%时，粘附力才能够用公式进行计算。毛细力 Fc的形成如图6 所示，其中包含水的表面张力 Fst 与空气、水之间半月面的压力差 Fmc，通常采用下式进行计算：
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式中，γ 为表面张力，通常取 728 mN / m；p0 为平面液体表面上的饱和蒸汽压；λk 为开尔文长度，通常取 0.52 nm；Vm为液体的摩尔体积；Rm为摩尔气体常数；T 为环境温度[36-37]。
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图6 引起毛细作用的球体、表面和半月面[37]
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Fig.6 Sphere, surface or hemisphere that causes capillarity[37]
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干燥环境或真空环境下，吸附作用主要受范德华力影响，并且随表面粗糙度的显著增加，范德华力所占比例也不断提升[38]；而相对湿度较高时，主要由毛细力作用影响吸附现象。因此研究人员认为类似月尘这类微米尺寸或纳米尺寸颗粒，环境条件对固体间吸附作用起到非常重要的作用[39]。由此可知，虽然毛细力的存在对于超真空月球环境的影响可以忽视，但现有的月面除尘技术均是事先在地面环境进行模拟验证成熟后使用的，而月球环境模拟试验设备并不能够提供完全干燥环境或超真空环境的试验条件，所以不得不将毛细力对试验结果的影响纳入校准，从而提高试验结果的准确性。
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2 月尘吸附力测试技术
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为了实现月尘颗粒在材料表面吸附力值的精确测量，科研人员探索了多种细微颗粒的吸附力测试方案，并分类为接触技术与非接触技术。接触技术包含原子力测试技术、微机械分离技术；非接触技术包含离心力测试技术、静电测试技术、振动测试技术等[40]。上述技术在月尘颗粒吸附力测试中均已开展试验。例如，孙浩等使用了离心力测试技术，但结果表明用该技术得到的数据与理论值相差三个数量级，无法验证模拟试验的真实性；王志浩等[41] 使用了基于静电场条件下的静电测试技术，能够更加简便地测量颗粒吸附力，但同样存在测量精度差的问题。月尘以外的其余微小颗粒间吸附力测量试验也已开展了很多，例如王维等[42]在测试水合物颗粒间吸附力时采用了美国科罗拉多矿业大学自主设计的 MMF 试验装置，该设备属于微机械分离技术，是基于颗粒分离瞬间产生的位移代入胡克定律计算得到颗粒分离所需要的最小力，并将此测量结果作为吸附力参数。综上所述，这些方案存在精度较低、测量复杂，难以单点精确测量等问题，应用于月尘这类微米级颗粒展开吸附力测量明显精度不够，难以适用。而原子力测试技术因其干扰因素相对较少，测试精度可以达到纳米级，同时能够以动态化方式观测月尘颗粒的单点微观吸附特性等优点，近年来在月尘模拟物、飞灰等微米级颗粒吸附力的测试中取得了广泛研究与应用，是当前应用于月尘颗粒吸附力测量的主要方案。
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2.1 基本测试原理
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原子力测试技术主要依托原子力显微镜 （Atomic force microscope）作为测量仪器，并从微观角度实现单一细微颗粒在平面样品的吸附力测量，这一特点显著提升了研究人员对细微颗粒吸附复杂过程的理解[43-48]。AFM 吸附力测试如图7a 所示，是通过采用一侧固定，另一侧装在弹性微悬臂上的探针尖端与样品表面贴近的方式，使投射在针尖尖端处的激光束经过反射镜后落入光电探测器，并引导相应的激光点发生位移变化，随后将参数输入反馈系统等工作部件，经过计算转化为电压变化，不同的电压值对应着弹性微悬臂的形变量，形变量再由相关函数公式即可得到具体参数，最终绘制为图7b 所示的力-距离曲线。
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图7 原子力测试流程图及力-距离曲线（a）流程图（b）力-距离曲线
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Fig.7 Atomic force test flow chart and force-distance curve: (a) flow chart; (b) force-distance curve.
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结合上述内容，微悬臂形变值 Δz 可作为针尖-样品表面之间相互作用的最直观反映，并可使用下式直接计算探针尖端-样品表面之间的相互作用力：
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式中 k 为弹性微悬臂的弹性系数。
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2.2 悬臂探针制备
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由于原子力测试技术是通过 AFM 在退针阶段外力破坏探针针尖与样品表面之间吸附关系的方式取得吸附力参数，因此悬臂及探针的制备与修饰将对测量起到至关重要的影响。当前研究中通常按照图8 所示流程，采用紫外固化胶对无针尖探针进行细微颗粒在尖端的修饰[49]，其制备原理是将细微颗粒与样品经过 AFM 的高分辨率放大后观察操作细微颗粒蘸取紫外固化胶实现固定，从而制备不同种类颗粒修饰的探针。
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图8 自制胶体探针的步骤图
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Fig.8 Diagram of homemade colloidal probe
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郭子琦[50]在制备月尘模拟物胶体探针时，首先选择用干净云母片作为基底，再用一根细金属丝蘸取少许紫外固化剂划过云母基底表面，使其表面附着部分紫外固化胶。然后，将少量月尘模拟物分散倾倒于云母基底，并确保部分月尘模拟物未沾染紫外固化胶。最后，将无针尖探针装配于 AFM 探针夹中，通过操作软件下降探针使其蘸取少许紫外固化胶，蘸取固化胶后操作悬臂抬起，并对准未接触紫外固化胶的月尘模拟物再次下降从而完成对目标的蘸取。等所有操作完毕后，取下探针夹并将其置于紫外固化灯照射下等待 15 min，得到自制的月尘颗粒胶体探针。蒋协强[51]采用大头针针尖将环氧胶少量蘸取后置于玻璃片，同时将部分月尘样品均匀洒在无胶水沾染玻璃片处，随后操作探针依次蘸取环氧胶与月尘样品，再置于红外固化灯下等待 1 h，制备得到月尘样品胶体探针。黄正梁等[52]在制备聚乙烯胶体探针时采取先将无针尖探针蘸取表面涂有固化剂的云母基底，并操作悬臂梁使探针吸附固化剂，再操作探针粘附硅片上的聚乙烯颗粒。全部操作完成后用固化灯进行照射，待固化剂固化后获得聚乙烯胶体探针。MOUTINHO 等[37]在研究尘埃粒子与太阳能玻璃间吸附机理时制备的尘埃颗粒胶体探针过程如图9 所示，将尘埃散布在载玻片顶部，并在载玻片的不同区域涂上液体胶。在 AFM 光学显微镜下，将无针尖探针下降并接触带有胶水的表面。完毕后再次控制其恰好位于尘埃上方，下降接触尘埃颗粒。随后尘埃颗粒附着在其末端，最后使用紫外线照射几分钟以固化胶水得到自制探针。除此以外，张海彬等[53]基于离子溅射技术设计了另一种方法；该方法主要借助在探针处镀一层低熔点金属膜，并当须要修饰探针时对其加热，使表面镀膜发生融化后嵌入纳米颗粒，待探针自然冷却时纳米颗粒即可被固定，该设计方案稳定性较好，但相较于采用固化剂的方案较繁琐，目前使用较少。
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图9 颗粒吸附于 AFM 探针[37]（a）操作流程（b）颗粒吸附 SEM 图
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Fig.9 Diagram of particles adsorbed on AFM probe[37]: (a) Operational processes; (b) SEM image of particle adsorption.
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由于吸附力测量值与悬臂弹性系数密切相关，所以探针制备完成后应用热调谐法（Thermal tune method）对悬臂弹性系数及灵敏度等参数进行测量及校正[54-56]。测量过程中若探针位置发生修改或调整，都必须对悬臂梁的弹性系数及探针偏转灵敏度再次进行校准，并且该过程通常要进行 3～5 次，取其平均值作为最终结果。
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2.3 毛细力作用
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研究发现，当采用原子力测试技术对月尘颗粒进行吸附力测量时，毛细力将极易以水膜的形式停留于探针针尖表面，导致测量数据产生较大变化，因此针对原子力测试技术中产生的毛细力影响十分重要。
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2.3.1 毛细力产生的影响
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XIAO 等[57]研究了气体中水分凝结于金属／金属氧化物、硅／硅氧化物、氟化物和二维材料表面对吸附力测量结果的影响，发现当相对湿度小于 30%时，吸附力增速较为缓慢；当相对湿度从 30% 上升到 50%时，吸附力开始快速增长；当相对湿度为 50%～65%时，毛细力开始对吸附力产生影响； 当相对湿度为 70%～100%时，毛细力占据主导地位。LIN 等[58]使用 AFM 测量平板玻璃表面与球形 （锥形）探针尖端之间拉力，旨在研究纳米尺度到微米尺度的纤维素材料对玻璃的吸附水层、静电电荷和附着力之间的关系。试验结果表明，对于纤维素修饰 AFM 探针与玻璃表面的纳米微凸体接触，在中等相对湿度时达到最大粘附力，其原因是水的表面张力引发毛细力。此外，LAI 等[59]基于疏水二氧化硅悬臂梁与疏水二氧化硅样品研究了相对湿度与接触时间耦合效应对吸附力测量值产生的影响。试验装置被放置在一个自制的手套箱里并不断加入水蒸气使箱内相对湿度保持在 10%～90%变化，同时采用控制变量法调节两个表面从跳入到拉出的时间 （即接触时间）。相对湿度为 10%～40%的较低范围且接触停留时间为 0 s 时，通过增加和减少停留时间所测得的吸附力值分别为 69.1±12.7 nN 与 65.2 ±17.9 nN，两者差值仅仅为 3.9 nN，变化并不明显； 而在相对湿度为 50%～80%的较高范围且接触停留时间为 0 s 时，两者差值为 30.6 nN，变化较明显； 在相对湿度增加至 90±1%时，吸附力最大平均值超过 1 μN。由该试验可见，改变相对湿度及停留时间导致吸附力增长且状态不稳定。由于石墨烯材料应用广泛，但在潮湿环境中使用容易受到较大影响，于是 SHI 等[60]针对二氧化硅／石墨烯吸附力受相对湿度与停留时间影响进行研究，与 LAI 选用试验材料不同，可试验后仍发现较低相对湿度时，探针尖端与石墨烯表面间未形成半月面；当相对湿度达到 55%时，半月面才逐渐形成；而且随着相对湿度与停留时间增加，凝结增加，吸附力不断变大直至达到阈值后才随着锥材的水接触角同步减小。
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2.3.2 毛细力影响的消除
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当处于潮湿环境时，月尘与表面之间凝结的水分将产生较大毛细力；同时水分子或者是气体分子在基体表面吸附后会放出热量，而放出的热量会导致表面的能量损耗，因而会降低吸附力，多重作用叠加后影响吸附力测量值的准确性。因此，去除两者之间作用对模拟试验结果十分关键。针对这一问题，JIN 等[61]近期提出了一种既能够消除水分及气体分子吸附效应，又可以测量月尘吸附力的改进方法。由于高纯度气体可以削弱水分子的吸附，所以当前试验均通过采用高纯度氮气保护的方式消除水分子吸附。然而，这一方法又很难防止其他气体分子吸附。于是，研究人员利用真空环境下气体分子吸附降低的机理在高真空 AFM 展开多组试验。过大的真空度会使气体分子沉积加剧，当气压小于 0.3 mPa 时，较高气压易产生较明显的气体吸附效果，吸附力测量值也随之越小；当气压大于 0.3 mPa 时，并未产生较大影响，因此防止气体分子吸附不能仅通过增加真空度。为了确定温度对附着力的影响，在不同温度与小于 0.32 mPa 的环境压力下，测量了标准硅胶球和硅片衬底间吸附力，最终选取环境温度为 200℃，环境压力为 0.24 mPa 作为最佳试验条件。结果见图10，此时颗粒的平均粘附量为 1 502.27 ±28.84 nN，接近理论值 1 449.97 nN，误差较小。若将试验条件控制在该环境下，即可消除毛细力作用产生的影响，使吸附力测量试验更加准确。
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由此可见，原子力技术在测量过程中也存在一定局限。当其测量部分带电颗粒或环境湿度较大时，导电悬臂易在静电力或毛细力作用下，轻微增强或削弱部分力，导致测量产生一定误差；同时，其单个颗粒测量的优势也限制了测量不能随着形态不同的颗粒展开普适性测量，不同颗粒之间并不能够在同一试验中对比；此外，其较高的参数测量量级需要建立在缜密的操作过程与高精度试验仪器等各种条件的综合作用下。
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图10 吸附力参数图[61]（a）参数变化关系（b）温度 200℃、压力 0.24 mPa
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Fig.10 Diagram of adsorption force parameters[61]: (a) Relation of parameter change; (b) Temperature200℃, pressure 0.24 mPa.
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3 典型月尘防护技术
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为了缓解月尘颗粒在航天器表面吸附后产生的摩擦磨损等一系列问题，科研人员基于月尘基本特性及其吸附机理展开了月尘防护技术的深入研究后，将其归类为主动防护技术与被动防护技术[62]。其中，主动防护技术是通过向需要保护的航天器表面施加外力进行清理的，该项技术通常采用静电力防尘清理与机械防尘清理等方式实现；被动防护技术是通过物理或化学预处理方式使样品表面发生改性，减少样品表面月尘吸附量，该项技术通常采用降低范德华力的方式实现。
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3.1 范德华力防尘
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3.1.1 表面自由能降低范德华力
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薛伟等[63]采用 Owens 二液法对不同材料表面施加分子膜后测量表面能发现由原先 70 mJ / m2 降低至 25 mJ / m2；并且施加分子膜后样品表面吸附力由原先 784.7 Pa 减小至 46 Pa，该值仅仅是原先的 1 / 17，由此分析出纳米尺度下吸附力与表面能间具有较高对应性。
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基于上述结论，若要降低范德华力对吸附作用的影响，则应当寻找具有较低表面能的材料。但由于固体内部分子结构排列密集，所以固体表面能的测量在实际工作中难以实现。只有当液体滴落在固体表面形成接触角时，通过 Owens 二液法反映液体表面张力与固体表面能之间的差异，从而间接表征固体表面能应用于低表面能固体材料的选取[64]。
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如今，一种根据荷叶启发提出的超疏水表面如今已经广泛运用于太阳能电池玻璃表面的防尘、除尘。 ZHAO 等[65]指出针对固体表面的除尘技术，使用涂层去除小颗粒和声波去除大颗粒是一种很有前途的方法。ZHAN 等[66]通过表面改性研制出了一种二氧化硅涂层应用于太阳能板的除尘，该二氧化硅涂层实现了材料表面的超疏水性能，同步降低了样品表面能，使得灰尘颗粒在太阳能板的吸附作用大幅降低。YUAN 等[67]在解决光伏组件除尘问题时也使用了疏水与超疏水涂层技术，并借助涂层所具备的低表面能特性使得凝结水珠在行径滚动中沾住部分灰尘并脱离光伏组件表面，在试验条件下该技术的除尘率达到了 99%，还实现了防止胶结、颗粒结块等效果。LIU 等[68]在锌基板上进行表面改性，并成功赋予基底足够低的表面自由能，经过表面改性后的锌基板显著降低了固液界面的接触面积及粘附性能，并促进凝结水发生自跳跃行为进行除尘。颜晨曦等[69]通过在 DH36 钢的材料表面使用水气固化的方式制备出全氢聚硅氮烷疏水防护涂层，并通过调节固化温度及时间获得了最佳疏水性能，降低了材料表面的吸附特性。
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由此可见，未来深空探测计划中可通过如图11 所示的方法，更替不同表面自由能材料或对材料表面施加特殊涂层降低航天器表面范德华力，实现航天器高效清洁与除尘防护的目的[70-71]。
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图11 自然界易清洁现象用于固体表面的防尘策略[70]
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Fig.11 Natural easy-to-clean phenomenon applied to dust prevention strategy on solid surfaces[70]
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3.1.2 表面粗糙度降低范德华力
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除了对样品表面进行改性处理减少表面自由能外，研究人员还选取不同表面形貌的样品进行试验，并观察颗粒在样品表面的吸附效果。
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TAN 等[72]研究了空调环境下灰尘颗粒吸附室内物体表面这一问题，试验中选择将灰尘颗粒吸附于 PVC、玻璃、铝和铁等不同材料表面，并使用 AFM 测量不同样品表面形貌下吸附力值，结果表明样品表面形貌及其粗糙度都非常容易对细微颗粒的吸附特性造成影响，并随着表面粗糙度增加，两者的实际接触面积不断减小，吸附力也急剧减小。
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PEILLON 等[73]选取了纳米尺度、亚微尺度和微尺度三类不同表面粗糙度的钨基板，并采用 AFM 测量钨球颗粒在其表面吸附力值，随后发现与纳米尺度的钨表面相比，钨微粒的吸附力降低了两个数量级。清华大学 SUN 等[74]使用 AFM 对微米级石墨颗粒与亚微米级粗糙度壁面间吸附力进行了研究，认为较大颗粒尺寸会增加颗粒吸附量，较大的表面粗糙度会降低颗粒吸附量。
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基于该方案的可行性，众多研究团队已将表面形貌等参数的优化运用于探月工程任务中表面防尘除尘技术。WANG 等[75]使用复合腐蚀的方法制备了可适用于月球环境下的多尺度结构防尘铝衬底，并将原材料与新型衬底对月尘的吸附力值进行测试，发现该衬底减少了与月尘间接触面积，从而降低了月尘的吸附作用。其中，Al-CE 基板吸附力结果最低，由最初 45.53 nN 大幅降低至 8.89 nN，降幅达 80%。ZHANG 等[76]搭建数学模型对月尘与粗糙的铝合金表面吸附现象进行了研究，计算发现月球环境下范德华力作用效果大于其他力，因此将表面形貌进行修整后即可使得表面具有最小的范德华力。
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研究后可知，虽然增加表面粗糙度通常被认为是减少接触面积、降低吸附力的重要手段，但是两者尺寸的差异也相当关键，不同样品表面形貌、微粒尺寸的组合可能会对范德华力起到截然相反的作用。如图12 所示，当月尘尺寸较大，其接触表面形貌较粗糙样品时易呈现点接触，不易形成面接触，因此两者接触面积较小，范德华力降低；当较大月尘落于表面形貌平滑的样品时，易呈现线、面接触，此时范德华力增大。若月尘尺寸较小，其接触表面形貌较粗糙的样品时易渗透入表面的粗糙孔隙，增大两者接触面积，形成线、面接触，增大范德华力； 当遇到较平滑的样品表面时，多以点接触为主，表现为较小的范德华力。
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图12 不同粒径颗粒的接触情况[50]（a）小粒径（b）大粒径
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Fig.12 Contact diagram of particles of different sizes[50]: (a) Small particle size; (b) Large particle size.
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3.2 静电力防尘
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3.2.1 降低静电力的方法
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静电力防尘作为主动防尘技术的方案之一受到了广泛关注，相关研究人员通过不断试验总结出影响静电力的因素，以防在实际月球工况下带电月尘吸附对航天系统产生危害。
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姚军等[77]研究了化工领域颗粒传输处理时相互碰撞及颗粒与壁面碰撞引发的静电作用，试验采用了粒径尺寸为 2.0～5.0 mm 的固体颗粒沿倾斜固定的不锈钢板滑行，并测量该过程产生的静电量。不断更替倾斜角度、颗粒形状尺寸等参数后最终发现，颗粒摩擦面积越大、颗粒形状越窄、尖角形状越多（三角形较矩形产生更多的静电荷），则滑行后带电量越大。此后，ZHAO 等[78]也通过将单个颗粒沿不锈钢板滑动的方法测量静电作用。试验发现颗粒与表面间相互接触、滑动是静电发生的主要来源，颗粒质量与接触面积会在细微颗粒沿金属表面滑动时产生较大影响，且随接触面积增加而变大；同时，静电作用的影响随粗糙度增大，会呈现出先持续增加至某一特定最大值，然后逐渐减小的趋势。ZHU 等[79]采用电容层析成像系统（ECT）连续监测电容随时间的变化，并通过对比电荷积累曲线发现不添加 Larostat-519 抗静电粉末的平均固体浓度读数高于添加 Larostat-519 粉末的平均固体浓度，该抗静电粉末的添加减少了静电产生，其原因是粒子与管壁之间形成一层薄层。
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该类研究一直致力于工业中管道运输领域静电问题的解决，也同时为月尘环境下不同形貌、尺寸的月尘静电吸附提供了有效的理论借鉴。但管道运输领域所测量的大多数是毫米级尺寸的颗粒，而月尘颗粒是微米类型且形状多变，因此在实际的月球复杂环境下，不同尺寸接触面积及颗粒形状将对静电作用产生更大影响。
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3.2.2 基于静电作用的防尘技术
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当今及未来深空探测的过程中，借助静电作用对航天器表面进行清洁的除尘方式应用非常广泛。1976 年，NASA 就首次试验研究出电帘技术，该技术经过后续不断研究已经逐步趋于成熟；其主要原理如图13 所示，是通过使一对平行布置于基体表面的电极之间接通交流电，使其存在较强的交变电场，并根据月尘运动微分方程计算后调节相应的频率实现电场力对月尘产生定向输送的目的，即以电场力作为排斥力从而实现除尘效果[80]。
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图13 电帘板结构图[80]
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Fig.13 Structure diagram of electric curtain plate[80]
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沈振兴等[81]近期研制了三相行波电帘，其中将三组相互平行的电极刻蚀在基底上并接通交变电压激励源使其产生行波电场向尘埃施加定向作用力，最终带电颗粒会以跳跃、帘状或冲浪模式沿行波传播方向移除电帘。在采用电帘除尘的基础上，其团队还运用 COMSOL 多物理仿真软件进行建模仿真分析了不同环境下的颗粒的运动轨迹，进一步证实了该方法的除尘效果。
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目前所使用的技术不仅使用了静电除尘这类主动防护技术，还将主、被动防护技术相结合，通过涂层和电帘综合使用的方式将除尘效果最大化。 MOHAMMED 等[82]为了研究应用于太阳能板的防尘吸附技术，将纳米二氧化硅材料涂覆至玻璃表面进行低表面能的疏水处理，同时还通过电极板制作电帘产生静电作用减轻来自表面的灰尘颗粒，设备整体结构如图14 所示。试验使用了高速记录系统对运动的细微颗粒进行动态跟踪，并发现径粒小于 0.8 μm 的粉尘颗粒比大粒径的粉尘颗粒具有更强的粘附性，施加疏水涂层后不同径粒的粉尘颗粒吸附作用均得到缓解，0.8 μm 粉尘颗粒表面吸附力由 1.97 pN 降低到 1.04 pN，10 μm 粉尘颗粒的吸附力由 1.97 pN 降低到 0.406 pN；由疏水表面优先缓解吸附作用后再通过静电作用将粉尘颗粒排斥于其表面，使用该方法达到的清洁效果比单一的电帘除尘更加高效。
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除尘防护技术的设计初衷是应用于地面环境下沙漠地区太阳能板的防尘、除尘，但后续发现该技术在深空探测中同样也发挥着不可或缺的作用。处于无空气环境工作使用，尤其是月球超高真空环境下的航天器机械部件，该方案有助于进一步缓解月尘在航天器表面的吸附。
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图14 电气系统及静电板示意图（a）电子电路及脉冲形成网络（b）静电板[82]
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Fig.14 Schematic diagram of electrical system and electrostatic board: (a) Electronic circuit and pulse formation network; (b) electrostatic board. [82]
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3.3 机械防尘
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机械防尘是通过采用外力的方式清除航天器表面吸附月尘，该项技术在太阳能光伏产业领域的组件表面积灰问题上应用广泛[83-84]。全球现有的光伏电站规模持续扩大，且随着环境变化防尘任务也不断增加，所以引发相关研究人员不断探索机械防尘技术。
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王珊等[85]对于荒漠地区电池板表面积灰问题采取定量试验的方式调研了机械式防尘技术在太阳能光伏系统中的灰尘清洁防护效果，经过整理发现机械防尘是一种较为简单，且清洁效率较高的方案。
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基于已有的机械式防尘方案，康儒等[86]对灰尘吸附机理研究优化后，提出一种应用于光伏组件的干式防尘刷如图15 所示，该设备可实现无水、无清洁剂条件下光伏板的起尘、输尘、吸尘一体化工作，在结构中加入引风机起到的吸尘效果可有效减少毛刷在灰尘清理时再次发生污染的问题，使得在特定速度下起尘率能够达到 85%以上，吸尘率始终稳定于 85%～89%。该项设计中引风机的加入也是较多太阳能板防尘车所使用的技术，即通过产生高速气流的方式吸入灰尘[87]。
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机械防尘高效清洁的优势使其在太阳能光伏产业的防尘方面效果显著，且使用外力这一简单的防尘机理应当同样能够适用于航天器表面的月尘防护，但综合考虑高智能化机械防尘设备进入月球易受到损坏且不易修复等实际情况，再结合减少月尘吸附作为月球探测任务最需要解决的问题之一，仍要尽量减少设备机械部件组成比例，从而满足除尘设备维护简单且故障率低的要求。
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图15 光伏组件干式防尘刷三维模型[86]
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Fig.15 3D model of a dry dust brush for PV modules[86]
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4 结论与展望
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当前世界航天强国都在开展深空探测，其中月球探测更是重中之重。月球表面是一个不同于地球的超高真空环境且存在辐照、高低温交替变化等因素。此外，月球表面还有细微月尘颗粒，其受到太阳照射后具备电荷极易吸附在航天器设备表面，影响探测任务的正常进行。本文综述研究得到以下结论：
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（1）月尘尺寸极其细小，受月表范德华力、静电力等作用后呈“喷泉模型”迁移；地面模拟环境中毛细力的存在将造成吸附力参数偏大，因此测量过程应通入其余气体以消除毛细力在月尘吸附模拟试验的影响。
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（2）原子力测试技术相较于离心力测试技术等具有干扰因素相对较少、测试精度达纳米级和动态化观测等优势，更适用于月尘吸附力测量。
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（3）主动防护技术故障率高，且维护成本昂贵，而被动防护技术操作简单便捷，且具有易修复等特点，应将其作为克服月尘吸附的主流方案。
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但基于 AFM 测量月尘颗粒吸附作用的研究及除尘技术的应用仍未完善，因此须进一步在以下方面深入研究：
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（1）加强地面模拟设备普及，使其用于工作环境模拟，获得更加准确的试验参数。
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（2）深入颗粒吸附微观与宏观两方面结合的研究，透过微观试验探索吸附、摩擦机理，并在宏观试验状态下进行验证。
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（3）加强不规则形状月尘解析模型建立，将理论模型向实际月尘进行优化。
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（4）目前在除尘领域多聚焦于采用主动防尘技术，但鉴于被动除尘技术的效果优异、使用便捷，未来应在深空探测领域持续增加表面改性技术的研究与使用，并结合主动防尘技术实现整体效果的提升。
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摘要
月尘防护是未来月面探索中面临的重要难题之一，不同防护效果将对航天器性能产生重要影响，深入开展月尘颗粒在航天器表面的微观吸附行为及其防护技术的研究至关重要。主要从月尘颗粒吸附机理、吸附力测试技术及月尘防护的方法展开综述与展望。首先说明月尘颗粒的物理、化学性质及吸附机理，重点聚焦建立月尘颗粒与基体表面的吸附力解析模型，包括范德华力、静电力、毛细力；其次，利用原子力技术测量月尘颗粒吸附力参数。分析对比目前针对微纳米颗粒吸附问题的主动与被动防护技术。对月尘吸附力测试与月尘防护技术发展等问题的发展趋势进行展望。通过原子力技术开展月尘颗粒吸附力，解决现有其余测试技术产生的弊端，对推进月尘颗粒吸附机理及防护技术的研究具有重要意义。
Abstract
Lunar-dust protection is important for future lunar surface exploration. Lunar dust comprises extremely fine particles on the Moon’s surface. The surface shape is irregular, and the average diameter is 40-130 μm. It is primarily composed of amorphous glass, plagioclase, and other components, and contains almost all trace elements. The unique physical and chemical properties of lunar dust enable it to be easily adsorbed onto the surface of detectors and spacesuits, thereby resulting in equipment failure. Therefore, the micro-adsorption behavior of lunar-dust particles on the surface of spacecraft and their protection technology must be investigated. This paper summarizes and discusses the micro-adsorption mechanism of lunar-dust particles, the measurement technology for the adsorption force, and protection methods for lunar dust. First, combining the physical and chemical properties of lunar-dust particles, the causes of dusting and the adsorption behavior on the Moon’s surface are analyzed. Furthermore, an analytical model of the adsorption force between lunar-dust particles and the surface of the probe substrate is established, including van der Waals, electrostatic, and capillary forces. However, unlike the force generated by water molecules in the ground environment, the adsorption force between lunar-dust particles and the sample surface in an ultrahigh vacuum environment is primarily composed of van der Waals and electrostatic forces, and the capillary force need not be considered necessarily. In addition, van der Waals forces dominates short-range actions, whereas electrostatic forces dominates long-range actions. Based on this model, the proportions and factors affecting each component of the adsorption force are calculated. Second, adsorption-test technology is categorized into contact and non-contact technologies. A comparison between atomic-force testing technology as a contact technology and other schemes show that the interference factors are relatively few when the former is applied to measure the adsorption force of lunar-dust particles. Its measurement accuracy can reach the nanometer level, and the single-point microscopic adsorption characteristics of lunar-dust particles can be dynamically observed, thus enabling one to achieve the goals of high precision and accuracy more easily. Subsequently, the basic principle and method of directly reflecting the interaction between the probe and sample surface using the deformation value of the probe cantilever beam are introduced. Additionally, active and passive protection technologies of van der Waals forces, electrostatic forces, and mechanical dust control for the adsorption of micro-nano particles are systematically summarized, and the advantages and disadvantages of various dust-removal technologies are analyzed. Passive protection technology presents fewer influencing factors and higher stability, thus rendering it more suitable for various application environments. Finally, the development trends of lunar-dust adsorption tests and lunar-dust protection technology are highlighted. Notably, high-vacuum atomic-force-microscope equipment, which feature a low permeability, should be popularized. Currently, macroscopic adsorption experiments pertaining to the dispersion of lunar dust are few, and simulations of lunar dust should be further optimized and developed. In this study, the adsorption mechanism and adsorption model of lunar-dust particles under micro-conditions are established, and the applicability, advantages, and disadvantages of atomic testing technology are discussed based on the adsorption test of lunar-dust particles. The test process steps are described comprehensively. This scheme overcomes the shortcomings of other testing technologies and is crucial for promoting research pertaining to the adsorption mechanisms and protection technologies of lunar-dust particles. Additionally, it serves as a foundation for the subsequent screening of lunar-dust friction and wear-test materials.
