论文总字数：24624字

摘 要

环氧树脂具有优异的力学性能、低固化收缩率以及与碳纤维界面结合良好等优点，碳纤维-环氧树脂复合材料成为低温液氧燃料贮箱结构材料的研究发展方向之一。但环氧树脂在低温下存在着与液氧相容性不好等缺点。

本文综述了环氧树脂的特点，以及国内外研究环氧树脂液氧相容性改性的方法等。并研究在使用二乙基甲苯二胺（DETDA）与聚醚胺D-400的混合胺固化环氧体系中，通过调整混合胺中各固化剂比例以改善环氧树脂韧性，通过将磷元素引入环氧树脂中以改善环氧树脂的阻燃性能，最终达到改善环氧树脂的液氧相容性的目的。

研究设计方案表明：采用聚氨酯增韧环氧树脂：DETDA：D-400：DMP-30：DOPO=100：15.2：3.8：2.5：11.7和环氧树脂E-51：DETDA:D-400: DMP-30：DOPO =100：17.5:11.7:2.5：11.7的配方所制得的改性环氧树脂液氧相容性最佳。其极限氧指数预计会得到良好的改善，为不可燃材料，可以预测环氧树脂改性体系在室温以及低温液氧环境下的拉伸断裂延伸率与冲击韧性都会得到较好的改善。

关键词：阻燃剂；环氧树脂；液氧相容性；混合胺固化剂；碳纤维

Abstract

Due to the excellent mechanical properties, low curing shrinkage rate and good combination with carbon fiber interface of epoxy resin, carbon fiber-epoxy composite materials have become one of the future development directions of low-temperature liquid oxygen fuel tank structural materials. However, epoxy resins have the disadvantages of incompatibility with liquid oxygen at low temperatures.

This paper reviews the characteristics of epoxy resins, as well as modification methods to improve the liquid oxygen compatibility of epoxy resins at home and abroad. And studied in the use of diethyl toluene diamine (DETDA) and polyetheramine D-400 mixed amine curing epoxy system, by adjusting the ratio of each curing agent in the mixed amine to improve the toughness of epoxy resin, and by adding phosphorus Introduced into epoxy resin to improve the flame retardant performance of epoxy resin, and ultimately achieve the purpose of improving the liquid oxygen compatibility of epoxy resin.

The research design showed that when the use of polyurethane toughened epoxy resin: DETDA: D-400: DMP-30: DOPO = 100: 15.2: 3.8: 2.5: 11.7 and epoxy resin E-51: DETDA: D-400: DMP-30:DOPO = 100: 17.5: 11.7: 2.5: 11.7,The modified epoxy resin prepared by the formula above has the best compatibility with liquid oxygen. Its limiting oxygen index is expected to be improve well, which is a non-combustible material. The tensile elongation at break and impact toughness of epoxy resin modified systems at room temperature and liquid oxygen environment will also be improved well.

Key Words: flame retardant; epoxy resin; liquid oxygen compatibility; mixed amine curing agent；carbon fiber

目 录

第1章 绪论 1

1.1 液氧相容性研究背景 1

1.2 液氧相容性概述 2

1.2.1 液氧相容性 2

1.2.2 液氧相容性机理 2

1.2.3 液氧相容性的评判标准 3

1.3国内外研究进展 4

1.3.1 国外研究进展 4

1.3.2 国内研究进展 5

1.4 环氧树脂液氧相容性改性 6

1.4.1 溴阻燃改性环氧树脂 6

1.4.2 磷阻燃改性环氧树脂 7

1.4.3 硅阻燃改性环氧树脂 7

1.4.4 磷硅协同阻燃改性环氧树脂 8

1.4.5 抗氧化改性环氧树脂 8

1.4.6 增韧改性环氧树脂 8

1.5环氧树脂液氧相容性的研究思路及研究内容 9

第2章 方案设计及方法 10

2.1 实验主要原材料 10

2.1.1 实验原料 10

2.2 实验方案总体设计 10

2.3 实验分析测试方法 11

2.3.1 液氧冲击敏感性试验 11

2.3.2 冲击韧性测试 11

2.3.3 拉伸性能测试 11

2.3.4 热重分析 12

2.3.5 极限氧指数 12

2.3.6 扫描电子显微镜 12

2.3.7 傅里叶红外光谱图分析 12

2.3.8 差示扫描量热分析 12

第3章 环氧树脂固化体系 13

3.1液氧相容性树脂基体 13

3.1.1 环氧树脂 13

3.1.2 氰酸酯树脂 13

3.1.3 苯并噁嗪树脂 14

3.1.4 树脂基体选择 14

3.2 固化剂及其固化机理 15

3.2.1 胺类固化剂及其固化机理 15

3.2.2 硫醇类固化剂及其固化机理 15

3.2.3 咪唑类固化剂及其固化机理 16

3.2.4 酸酐类固化剂及其固化机理 16

3.2.5 固化剂的选择 17

3.3 环氧树脂固化用促进剂 17

3.3.1 亲核型促进剂 17

3.3.2 亲电型促进剂 17

3.3.3 金属羧酸盐促进剂 17

3.3.4 促进剂的选择 18

3.4 固化制度确定 18

第4章 环氧树脂增韧改性 19

4.1 方案设计 19

4.1.1 环氧树脂配方设计 19

4.1.2 环氧树脂固化物制备工艺流程 20

4.2 方案可行性分析 20

第5章 环氧树脂阻燃改性 22

5.1 方案设计 22

5.1.1 环氧树脂配方设计 22

5.1.2 环氧树脂固化物制备工艺流程 23

5.2 方案可行性分析 23

第6章 碳纤维-环氧树脂复合材料液氧相容性研究 25

6.1 方案设计 25

6.1.1 复合材料配方 25

6.1.2 复合材料制备工艺流程 25

6.2 方案可行性分析 25

第7章 总结与展望 27

7.1 全文总结 27

7.2 展望 27

参考文献 29

致谢 32

第1章 绪论

1.1 液氧相容性研究背景

航天运载器作为一个人类探索太空的重要飞行工具，是一个国家的航空航天科技水平的重要体现。目前我国的航天运载器多是采用液氧作为推进剂，且液氧贮箱仍是以金属材料为主。对于新一代航天运载器，为了在提高它的运输能力的同时尽量降低其成本，科研人员需要解决的首要问题就是降低航天运载器的整体重量。推进剂贮箱作为运载火箭的主要组成部分之一，占据了很大的空间，是主要的减重部件^[1]。如图1.1所示为麦克唐纳·道格拉斯公司对不同材料制得的液氧贮箱的可重复使用运载工具的质量比较^[2]。由图中可以看出，使用聚合物基复合材料代替金属材料作为制备低温液氧贮箱的结构材料，液氧贮箱的重量将减少27%，从而使得航天运载器的整体重量降低7.5%，并且维持运载器飞行的花费下降了将近37%。

图1.1 不同材料制备液氧贮箱质量比

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