液氧贮箱用环氧树脂常低温力学性能及液氧相容性研究

摘要

随着航天技术的发展，航天运载器的轻量化设计愈显重要。碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量以及耐腐蚀等优点，可替代传统的金属材料用于航天飞行器结构中，减重效果明显。液氧贮箱作为航天运载器的重要组成部分，承担着运输、存储低温燃料的功能，但具有结构体积大、质量占比高的问题，发展复合材料液氧贮箱，对航天飞行器整体结构的减重意义重大。液氧贮箱用复合材料需要在低温下承受荷载，对其低温力学性能具有较高要求；同时，由于液氧具有强氧化性，液氧贮箱用复合材料还要满足液氧相容性的要求。根据国内外相关研究报道，环氧树脂基复合材料最有望用于液氧贮箱，发展能够满足液氧环境使用的环氧树脂体系至关重要。众所周知，环氧树脂及其固化剂的种类繁多，但不同环氧树脂及固化剂体系的低温力学特性及液氧相容性尚不明确。针对上述问题，本文从树脂及固化剂两方面着手，系统研究了多个环氧体系的力学性能、耐热性能及液氧相容性，其中力学性能方面包括常温及低温（90K）拉伸性能、弯曲性能及断裂韧性，而耐热性能方面包括热失重分析及玻璃化转变温度。为复合材料液氧贮箱用环氧树脂体系的发展奠定基础。具体研究内容与结果包括：　　（1）胺类固化剂的对比研究。以TDE-85环氧树脂为基体，研究不同胺类固化剂体系和胺类固化剂复配的环氧树脂固化物性能。对于所选用的不同胺类固化剂体系，DDM(二氨基二苯甲烷)固化体系的力学性能最佳，拉伸强度能够达到104.6MPa，断裂韧性能够达到1.07MPa·m0.5；DDS(二氨基二苯砜)固化体系的耐热性能最好，氧气环境下的30%热失重关键温度371.8℃，玻璃化转变温度达168.1℃。　　（2）低温环境下环氧树脂的对比研究。针对四种不同类型的环氧树脂：E51双酚A型环氧树脂、NPEF-170双酚F型环氧树脂、711环氧树脂及多官能团TDE-85环氧树脂，分别用力学性能优异的DDM及耐热性能优异的DDS进行固化。实验结果表明，TDE-85环氧树脂的力学性能表现最好，其中DDM固化TDE-85环氧树脂的常温拉伸强度达104.6MPa，低温弯曲强度达192.4MPa，低温断裂韧性达3.87MPa·m0.5。同时，由于低温环境下树脂基体固化过程中残余应力减少，以及树脂在低温下交联结构更加致密，低温下的力学性能相比于常温下的力学性能有所提高，且低温状态下的断口断面更加光滑。　　（3）环氧树脂液氧相容性研究。继续采用第三章的八种树脂体系，以液氧冲击敏感测试为主，并研究其它物理化学因素对其影响，以探索液氧相容性机理。实验结果表明，DDM固化体系的液氧冲击敏感性相对DDS较为优异。同时根据极限氧指数测试结果，DDM固化体系的阻燃性能也相对较好。根据热失重和热氧增重测试结果，E51和NPEF-170的热失重关键温度较高且热氧环境下质量提升较少，热稳定性和抗氧化性优良，而E51和NPEF-170环氧树脂的液氧冲击敏感性也相对较好，说明同一固化体系下热性能优异的树脂液氧相容性较好。

目录

1 绪论

1.1.1 液氧贮箱概述

1.1.2 复合材料贮箱发展现状

1.2.1 环氧树脂概述

1.2.2 环氧树脂的性能及应用

1.2.3 典型环氧树脂介绍

1.3.1 环氧树脂固化剂简介

1.3.2 环氧树脂固化反应机理

1.3.3 芳香胺类固化剂的应用

1.4 环氧树脂低温力学性能

1.4.1 环氧树脂低温力学性能概述

1.4.2 环氧树脂低温力学性能研究现状

1.5.1 液氧相容性概述

1.5.2 液氧相容性研究现状

1.6 本课题的研究思路和研究内容

2 不同固化剂对多官能团环氧树脂热学及力学性能的影响

2.1 前言

2.2 试验部分

2.2.1 原材料及设备

2.2.2 环氧树脂制备

2.2.3 测试与表征

2.3.1 热失重分析

2.3.2 玻璃化转变温度

2.4.1 拉伸性能

2.4.2 断裂韧性

2.5 本章小结

3 八种典型环氧树脂体系的热学和力学性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 原材料及设备

3.2.2 环氧树脂制备

3.2.3 测试与表征

3.3.1 热失重分析

3.3.2 玻璃化转变温度

3.4.1 拉伸性能

3.4.2 弯曲性能

3.4.3 断裂韧性

3.4.4 断裂韧性断口分析

3.5 本章小结

4 八种典型环氧树脂体系的液氧相容性研究

4.1 前言

4.1.1 液氧相容性概念

4.1.2 液氧相容性评价方法

4.2.1 原材料及设备

4.2.2 试样制备

4.2.3 测试表征

4.3.1 液氧冲击敏感性

4.3.2 阻燃性能

4.3.3 热氧增重分析

4.3.4 耐液氧浸泡性能

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢