航天贮箱用树脂基复合材料与液氧交互作用机理及性能演变规律

Based on the research background of composite liquid oxygen tank for aerospace exploration and delivery system, the compatibility of resin matrix composites with liquid oxygen is systematically studied. A micro-liquid oxygen compatibility evaluation method based on atomic force microscopy system is established. The physical and chemical interaction mechanisms between the functional groups of polymer segments and liquid oxygen are investigated. In order to improve the compatibility of liquid oxygen, the molecular chain design and functional modification of epoxy resins are carried out base on the results of micro-liquid oxygen compatibility evaluation. The brittle change mechanism of resin matrix is discussed. And the cryogenic properties evolution of composites is studied. A new real-time method for measuring the cryogenic interfacial properties of single fiber reinforced composites is proposed. The mechanism of micro-crack initiation, propagation and leakage of resin matrix composites under ultra-low temperature is explored. A resistance to permeability method is developed base on these results.

以我国空间探索运载系统用复合材料液氧贮箱为研究背景，针对树脂基复合材料在液氧环境下存在的相容性问题、渗漏问题，系统研究树脂基复合材料与液氧的相容性，建立基于原子力显微系统的微观液氧相容性评价方法，从本质上揭示聚合物链段、官能团与液氧作用的物理、化学机制，指导环氧树脂材料的分子链段设计和官能团修饰，提高液氧相容性。研究超低温环境下树脂基复合材料变脆的机理和性能演化规律，发展超低温环境下单纤维复合材料界面性能的在线表征新方法，探究超低温环境下树脂基复合材料微裂纹萌生、扩展机理及渗漏机制，建立高气体阻隔的抗渗漏控制方法，从而为航天用碳纤维复合材料低温贮箱的研制提供基础。

本项目针对树脂基复合材料在液氧环境下存在的相容性问题、渗漏问题，系统研究了树脂基复合材料与液氧的相容性，建立了基于原子力显微系统的微观液氧相容性评价方法，从本质上揭示了聚合物链段、官能团与液氧作用的物理、化学机制，指导了聚合物的分子链段设计和官能团修饰，提高了树脂材料的液氧相容性。采用低粘度环氧树脂（EP）和酚酞基聚芳醚砜（PES-C）共增韧改性双酚A型氰酸酯树脂（CE），制备出了与液氧相容的环氧-氰酸酯树脂体系（CEBM）。阐明了超低温环境下树脂基复合材料变脆的机理和性能演化规律，发展了超低温环境下单纤维复合材料界面性能的在线表征新方法，探究了超低温环境下树脂基复合材料微裂纹萌生、扩展机理及渗漏机制，建立了高气体阻隔的抗渗漏控制方法。制备并开展了3.35米直径复合材料液氧贮箱低温110%使用压力试验，各项关键技术攻关成果得以集中验证，产品性能表现良好。这是国内大型复合材料液氧贮箱首次通过工程应用量级的试验验证，标志着我国复合材料液氧贮箱已经初步具备工程应用能力，为航天用碳纤维复合材料低温贮箱的研制提供理论指导和技术基础。项目在复合材料与液氧物理化学作用机理、基于原子力显微镜的复合材料液氧相容性微观评价方法、超低温环境下微滴脱粘复合材料界面性能表征方法、复合材料超低温力学性能演化规律、复合材料液氧贮箱渗漏控制方法等方面取得了一定的理论创新成果，发表论文13篇，其中SCI论文11篇，授权及受理国家发明专利7项。培养博士及硕士研究生10人、1人晋升高级工程师。