随着航天事业的发展，拥有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强^[1-3]等特点的碳纤维增强环氧树脂基（CF/EP）复合材料在液氢、液氧等超低温环境中的使用受到了极其广泛的重视。轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料也成了替代金属材料，制备航天运载器上贮箱的首选材料之一。但当CF/EP复合材料用来储存超低温液体时，在室温-超低温-室温的温度循环过程中基体材料会产生微裂纹，并且随着循环次数的增加而增大，从而造成缺陷，使得复合材料的性能下降进而影响其可靠性。同时由于环氧树脂基体和碳纤维热膨胀系数的差异较大，从而导致微裂纹在树脂基体中产生及生长，对碳纤维复合材料的低温力学性能有显著的影响^[4]。因此，提高树脂基体和复合材料的在低温下的界面性能对复合材料在超低温环境中的长期使用至关重要。

美国国家航空航天局（NASA）早在20世纪90年代中期就已经开始对低温复合材料贮箱在运载火箭上的使用进行过研究，并且成功在火箭和飞机等的液氧燃料贮箱上实现了对碳纤维增强树脂基复合材料的应用^{[5, 6]}。此后人们便开始了在低温复合材料性能领域的研究，目前国内外对于纤维增强树脂基复合材料在超低温下的使用的研究主要集中于对树脂和纤维的改性两个方面。其中对于树脂基体的研究主要是对现有已广泛应用的树脂进行改性。例如环氧树脂因具有力学性能优异、收缩率低、粘接性强、耐腐蚀性能优良^{[7, 8]}等特点，常用来作为低温复合材料压力容器的基体材料。但同时由于环氧树脂固化后交联密度高、质脆、耐冲击性差^{[9, 10]}，因此对环氧树脂的增韧改性显得尤为重要。黄凯^[11]等用液态丁腈橡胶对环氧树脂进行增韧改性,成功制备出了液态丁腈橡胶/环氧树脂复合材料。研究结果表明，液态丁腈橡胶能够增韧环氧树脂，并使其从脆性断裂变为韧性断裂。从庆^[5]选取低粘度氰酸酯树脂与环氧树脂进行复合，制成改性环氧树脂，并成功制备出了在低温环境下力学性能表现良好的碳纤维增强改性环氧树脂基复合材料。经过对试样的力学性能测试后发现除拉伸强度随温度降低有部分下降以外，其余力学性能 (平板压缩、冲击、弯曲、层间剪切) 均随着温度的降低而有所提高。

超支化聚合物因具有独特的三维结构和特殊的化学性质成为了近年来一种新兴的环氧树脂增韧剂^[12-14]。朱超^[15]等以三羟甲基丙烷和二羟甲基丙酸为反应单体，采用一步法合成了超支化聚合物，并研究了超支化聚合物的用量对双酚A型环氧树脂力学性能的影响。研究结果表明，加入15％的超支化聚合物后，环氧树脂的冲击强度和弯曲强度以及耐热性能均有不同程度的提高。Luo^[16]等合成了一种超支化聚醚环氧改性剂，并成功增韧改性双酚A型环氧树脂，使其低温韧性及力学性能得到极大改善。研究结果还表明超支化聚醚环氧改性剂的加入同时还会使树脂的玻璃化转变温度(Tg)有所升高。

众所周知，复合材料的整体性能不仅与增强材料以及基体材料紧密相关，更与两相交接区的界面层有着不可分割的关系。而且在复合体系中两相的交接面上的相互作用会随着环境条件的改变而发生变化 ^[17]，因此对于耐超低温纤维增强树脂基复合材料的界面层进行研究是当前研究工作中不可或缺的重要一环。本文选用双酚F型环氧树脂为研究对象，合成了超支化聚硅氧烷（HBPSi）对环氧树脂进行改性；通过控制HBPSi加入到树脂中的质量研究其用量对树脂性能及复合材料界面的影响，继而研究HBPSi对复合材料低温耐久性的影响。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：将合成的超支化聚硅氧烷以不同比例与环氧树脂共混，之后采用DETDA：IPDA为10:2的固化体系固化。选用真空袋压法制备碳纤维单向复合材料，先在95℃下固化1.5小时，之后在150℃下固化4小时。

制备好的复合材料按国标制成试样进行力学性能测试。

材料表征：通过低温DMA分析以及液氧冲击敏感性测试表征HBPSi对树脂性能的影响；通过层间剪切试验以及SEM分析HBPSi对CFRP界面性能的影响；最后通过低温DMA、低温下拉伸性能测试及低温下层间剪切测试来研究CFRP的低温韧性。

2.2 研究目标