用于室温-液氢多次循环条件下的环氧树脂体系结构设计和低温增韧机理研究

It is well known that the development of high-performance epoxy resin systems and their relationship between the structure-cryogenic properties used for the ambient-cryogenic (i.e. liquid hydrogen) temperature cycling is very important from the view of scientific and engineering applications, because the lightweight composite cryogenic fuel tanks are vital for the next-generation reusable and affordable deep space exploration. Based on the preliminary research results, a series of organic-inorganic hybrid core-shell nanoparticles will be prepared using 0, 1 and 2-dimensional inorganic nanoparticles as the core, and the epoxy resins with different rigid/soft structure and molecular weight as the shell. The internal stress in the epoxy resins during the ambient-cryogenic temperature cycles will be tuned and the bond strength between the epoxy resins and the nanoparticles will be increased after the nanoparticle and interphase structures are designed and controlled properly. The influence of the nanoparticle, resin and interphase structures in the microstructure, cryogenic-mechanical and adhesive properties of the modified epoxy resin systems will be investigated in detail by tunable structures of the resin, network and organic-inorganic hybrid core-shell nanoparticles, and the relationship between the structure-cryogenic properties and the toughening mechanism will be conducted as a result. And finally the high-performance epoxy resin and adhesive systems used for the ambient-cryogenic temperature cycling will be developed for high technology and defense application.

轻质复合材料液氢储箱是新一代可重复使用、低成本载人天地往返运输系统的重要部件，发展可在室温-液氢温度范围多次循环使用的高性能环氧树脂体系及其结构-低温性能关系具有重要的学术和实际工程应用价值。本项目拟以零维、一维、二维不同结构无机纳米粒子为核，不同刚柔性和分子量的环氧树脂为壳，设计制备结构可控的有机-无机杂化核壳纳米粒子，通过有机-无机杂化界面层设计和纳米粒子结构控制，有效调节树脂体系在298-4 K多次循环中的应力状态，改善纳米粒子在基体中的分散性及与基体的结合强度；通过对树脂、交联网络和有机-无机杂化核壳纳米粒子结构设计及改性树脂的各项性能研究，揭示不同的纳米粒子、树脂和界面相结构对环氧树脂微结构、低温力学和粘接性能的影响，建立材料结构-低温性能关系和低温增韧机理，获得298-4 K多次循环条件下使用的高性能环氧树脂及其胶粘剂体系，为环氧树脂在高科技和国防领域的应用提供理论和实验依据。

复合材料在深冷工况下的脆性及耐冷热冲击能力差是其在新一代可重复使用、低成本载人天地往返系统中应用的瓶颈，受到广泛关注。本项目以二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(CNT)和氧化石墨烯(GO)纳米粒子为核，不同刚柔性和分子量的树脂为壳，设计制备表面具有不同官能团(含氧、氨基、环氧基或刚柔链协同)、数量和界面结构可调的有机-无机杂化纳米SiO2、CNT和GO，系统研究不同纳米粒子、树脂和界面结构对改性树脂微结构、低温力学和粘接性能的影响。.研究表明，有机-无机杂化改性策略都能实现纳米粒子与基体间的界面调控。环氧化改性可以更有效改善纳米粒子的分散，增强与基体的相容性，提高复合材料的性能。基于仿生策略的GO表面刚柔链段协同改性，在强化界面结合的同时促进应力释放，起到很好的提高性能作用。但三种不同维度纳米粒子在有效含量、增强增韧效果及机理方面有一定差异。.含10%核壳改性AFG90-SiO2的复合材料室温(液氮)拉伸强度、断裂韧性相比纯树脂提高35%(32%)、102%(71%)。含0.3%氧化CNT的复合材料液氮拉伸强度和冲击强度提高约25%和40%。含0.1%GO的复合材料室温(液氮)拉伸强度、断裂伸长率提高30.2%(14.1%)、19.2%(25.6%)，且表现出优良的耐冷热循环能力。氨基化、环氧化和协同改性都有相同的优异表现。0.1%协同改性MGO-L3的复合材料具有最好的室温-液氮循环能力，循环后拉伸强度和断裂伸长率提高15.9%和27.4%。.液氦拉伸测试表明在接近绝对零度下，树脂的链段和次级单元运动被冻结，复合材料力学性能提升幅度有限，充分发挥填料潜力的关键在于减少材料内部缺陷。分子动力学模拟和实验都表明复合材料性能具有显著的温度依赖性。计算机模拟也为环氧树脂在高低温循环下的性能研究和寿命预测提供令人信服的结果，是寻找在液氦超低温下具有优异性能树脂体系的有效途径。.本项目在不同维度纳米粒子表面刚柔改性及界面结构调控、建立材料结构-低温性能间关系、揭示不同维度纳米粒子的低温增强增韧机理方面具有明显特色和创新，获得了可应用于低温且能耐受冷热循环的高性能环氧树脂及其胶粘剂体系。