液氧贮箱是航天飞行器的关键构件之一,采用复合材料替代目前使用的合金材料制造贮箱,实现其进一步减重已经成为航天工业与学术界的共识,这对提升飞行器的有效载荷,降低发射成本具有重大贡献。目前,国外的复合材料液氧贮箱已经研制成功,正在进行地面试验,而我国的相关研究工作仍处在起步阶段。使制造材料与液氧相容并具备优异的低温力学性能是研制复合材料液氧贮箱的关键技术。本文基于液氧相容性机理,通过分子设计的方式,向双酚A与F型环氧树脂的分子结构中引入含磷、硅基团,并以耐高温芳香胺类固化剂二氨基二苯甲烷(DDM)与二氨基二苯砜(DDS)固化,获得了与液氧相容的环氧树脂体系,同时校核了该树脂体系的低温力学性能。此外,在不降低液氧相容性的前提下,采用引入纳米氧化锆的方法改善了环氧树脂的低温力学性能。以商业有限元软件Abaqus作为分析平台,采用扩展有限元法(XFEM)对比研究了未改性树脂与改性树脂制成的碳纤维增强复合材料贮箱在均匀内压作用下的裂纹生成与扩展过程。主要研究内容与结果如下:(1)为了提高环氧树脂的液氧相容性,将9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)结构引入至双酚A与F型环氧树脂的分子链中,设计合成了含磷环氧树脂。液氧冲击测试结果证明DOPO的引入可以显著改善环氧树脂的液氧相容性,使其满足与液氧相容的指标。提高环氧树脂的热稳定性与阻燃性能有利于改善其液氧相容性。初始热稳定性对液氧相容性也有一定影响,初始热稳定过差会引起材料在较低的温度就开始快速分解,这有可能导致磷元素还未及时发挥作用,树脂即与液氧发生不相容反应。液氧冲击后DOPO改性树脂仍处在氧化阶段,而未改性树脂已进入碳化阶段,这主要归因于含磷官能团的降解产物在气相捕捉自由基,在凝聚相抑制热分解,提高树脂的液氧相容性。力学性能测试发现,DDM固化的改性双酚F型环氧树脂力学性能最优异,常温与液氧温度下的拉伸强度提高达到27%与15%,延伸率提高80%与37%,断裂韧性提高 44%与 23%。(2)10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)为DOPO的衍生物,比DOPO多含有一个苯环,热稳定性更高。为了进一步提高环氧树脂的液氧相容性,设计合成了具有ODOPB结构的含磷环氧树脂。液氧冲击测试结果显示ODOPB改性树脂的液氧相容性要优于DOPO改性树脂。ODOPB改性树脂的热失重速率明显降低,并且其整个热失重阶段的分解温度均高于未改性树脂,残炭率与极限氧指数(LOI)也大幅提高,这均促使其液氧相容性的显著改善。同时,还发现ODOPB改性树脂的初始热稳定性均优于DOPO改性树脂,并且随着磷含量的上升,初始热稳定性并未下降,所以ODOPB改性树脂体系没有出现随着磷含量的上升,液氧相容性反而下降的现象。液氧冲击后,DDM固化体系的氧化程度要明显低于DDS固化体系。磷含量为1 wt.%时,室温与低温力学性能达到最优。(3)通过在DOPO改性环氧树脂中引入3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GLYMO)预聚物,设计合成了一种新型含磷硅环氧杂化材料。液氧冲击测试结果表明该材料与液氧相容。其玻璃化转变温度为190℃,在纯氧中5%失重温度为381℃,600℃残炭率高达41.5%。液氧冲击后,与纯环氧树脂、只含磷或硅的环氧树脂相比,该材料的氧化程度最低,证明了抗氧化性的提高有利于促进树脂与液氧相容。液氧冲击后材料表面形成大量PO3与Si-0基团,证明了冲击过程中聚偏磷酸和二氧化硅的生成,其共同作用来抑制材料与液氧的反应。该杂化材料在常温和低温下均具有较好的延伸率,同时也有较好的低温抗裂性,从而导致其断裂韧性的提高。(4)通过3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对纳米氧化锆(nano-ZrO2)进行表面改性,然后将改性nano-ZrO2引入环氧树脂中来提高其低温力学性能。红外光谱与X射线光电子能谱分析证明APTES成功接枝到nano-ZrO2表面。APTES表面改性有利于提高nano-ZrO2在环氧树脂基体中的分散性。改性nano-ZrO2的加入在提高环氧树脂玻璃化转变温度的同时,并不会显著影响树脂的固化度。力学性能测试发现:与纯树脂相比,改性nano-ZrO2/环氧复合材料的室温拉伸强度与延伸率最多可以提高30%与50%;液氧温度下分别为26%与21%;断裂韧性在常温和液氧温度下分别可以提高53%与39%。这归因于改性nano-ZrO2与环氧树脂基体之间强大的界面结合以及改性nano-Zr02的良好分散性,在承受外载荷时,纳米粒子会使基体裂纹发生偏转,从而提高基体的力学性能。(5)针对未改性树脂BA/DDM与改性树脂BA-P2/DDM,采用商业有限元分析软件Abaqus的扩展有限元模块模拟了两者制成的碳纤维增强复合材料的裂纹生成与扩展,比较了其抵抗裂纹的能力。结果表明具有更高力学性能的树脂基体BA-P2/DDM制成的复合材料展现出更好的抵抗裂纹萌生和扩展的能力,裂纹萌生时所对应的载荷更高,相同载荷下裂纹扩展的长度更短,这证明本文研究中所发展的改性树脂基体在制备复合材料液氧贮箱方面应用前景更好。