POSS纳米杂化环氧-氰酸酯/碳纤维复合材料构筑及其抗空间环境损伤机理研究

采用纳米杂化技术，构筑具有比强度高、比模量高、耐热性好和空间环境适应性强等性能于一体的POSS纳米杂化环氧-氰酸酯/碳纤维复合材料。在系统研究碳纤维/氰酸酯复合材料空间紫外和原子氧综合环境作用损伤效应基础上，设计和合成含POSS-TiO2结构的新型POSS，并利用其对环氧改性氰酸酯树脂体系进行杂化。采用电子万能试验机、EPR、DLTS 、TG-DTA、DSC、TEM和AFM等分析手段研究不同POSS添加量、尺寸、结构等对POSS纳米杂化环氧-氰酸酯/碳纤维复合材料界面性能、拉伸、冲击、压缩、耐热性等性能影响，探讨其增强机理。研究空间紫外和原子氧综合环境作用下POSS纳米杂化环氧-氰酸酯/碳纤维复合材料的力学性能、质量损失率、析气成分、析气率、内部微观缺陷、界面和表面等性能演化规律，并探讨其抗空间损伤机理。通过本项目研究，为我国长寿命航天器结构材料的研制、选材和评价打下坚实的理论和技术基础。

聚合物基复合材料空间紫外、原子氧和带电粒子等空间环境作用下损伤效应及其改性研究已成为复合材料领域的研究热点。本项目研究了环氧-氰酸酯树脂制备及其空间紫外、原子氧和电子等空间环境作用损伤效应。在此基础上，设计和合成了含POSS-TiO2结构的新型POSS，并利用其对环氧-氰酸酯树脂体系进行杂化，进而对氰酸酯树脂体系及其复合材料进行了空间环境损伤效应研究。结果表明，POSS-TiO2在氰酸酯树脂基体中分散较为均匀，树脂浇铸体力学性能比掺杂前有较大提高。新型POSS的引入对于氰酸酯树脂及碳纤维/氰酸酯复合材料的抗空间环境性能提高显著。在紫外、原子氧作用下，新型POSS改性的材料的力学性能下降幅度较小，质量损失变化不大，同时保持了良好的尺寸稳定性。并探讨了材料的微观结构、组成及形貌与性能的内在关系，揭示了POSS纳米杂化环氧-氰酸酯/碳纤维复合材料抗空间损伤机理。由于POSS-TiO2纳米粒子能够吸收紫外光的能量，减弱了其对树脂基体的损伤；POSS纳米粒子与原子氧的反应系数低，降低了原子氧在材料表面的扩散；POSS的自愈合作用在损伤材料表面形成了一层SiO2保护层，阻止了原子氧对材料的进一步侵蚀。此外，制备出具备较好抗空间电子辐照能力石墨烯-TiO2纳米杂化环氧-氰酸酯/碳纤维复合材料。因此，纳米杂化环氧-氰酸酯/碳纤维复合材料研究可为我国长寿命航天器的结构材料的研制、选材和评价提供技术支持和理论依据。本项目在完成过程中，共发表论文19篇，其中SCI论文19篇，获得国家发明专利8项，获得省部级奖励1项。本项目研究已顺利完成，达到预期目标。