運載火箭低溫推進劑貯箱占火箭結構干重的60%以上，其輕量化是提高火箭運載效率的重要途徑之一。相比于金屬材料，碳纖維增強環氧樹脂基復合材料具有重量輕、比強度高的優點，若使用復合材料替代金屬制造液氧貯箱可實現減重20~40%。碳纖維增強環氧樹脂基復合材料將近一步降低運載火箭綜合成本，顯著提升經濟效益。

高性能耐低溫液氧相容性樹脂對于制造全碳纖維火箭（特別是其推進劑貯箱）至關重要，其重要性體現在以下幾個核心方面：

1、實現輕量化的關鍵基礎：

全碳纖維復合材料（CFRP）的核心優勢在于其極高的比強度和比模量，即強度和剛度與其重量之比遠超金屬材料。然而，CFRP 的性能高度依賴于其基體材料——樹脂。樹脂將碳纖維粘合在一起，傳遞載荷，并提供形狀和整體性。只有高性能樹脂才能充分發揮碳纖維的潛能，制造出比傳統金屬貯箱（如鋁鋰合金）輕得多的貯箱結構。這對于提高火箭的有效載荷比（運送更多有效載荷入軌）和運載能力至關重要。

2、耐受極端低溫環境（耐低溫性）：

液氧是火箭最常用的氧化劑之一，其沸點極低（-183°C）。貯箱需要長時間儲存并在飛行過程中承受這種極端低溫。普通樹脂在如此低的溫度下會變得極脆，失去韌性，極易在應力作用下產生微裂紋甚至宏觀開裂。高性能耐低溫樹脂必須能夠在液氧溫度下保持優異的韌性、強度和模量。這確保了貯箱結構在低溫下依然具有足夠的力學性能和抗沖擊能力，不會因低溫脆化而失效。

3、確保液氧相容性（安全性）：

這是最關鍵、最核心的要求，直接關系到火箭的安全。

液氧是極強的氧化劑。液氧是沸點為−183 °C(90 K)的淡藍色透明液體。若存在點火源(主要指沖擊、振動、碰撞、摩擦及靜電等外部刺激)的環境下，許多材料與液氧接觸時均會出現爆鳴、燃燒甚至爆炸等敏感現象，表現出與液氧不相容。目前在液氧中安全使用的金屬材料主要是高鎳合金、鎳銅合金、高鎳不銹鋼及鋁合金，擁有“太空金屬”之稱的鈦合金雖然常在航天航空系統中作為結構件使用，但其在與液氧接觸、同時受到機械沖擊作用時，易發生劇烈的爆炸等現象，屬于液氧不相容材料。聚合物材料中，只有少數含氟聚合物如聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、未增塑的聚三氟氯乙烯、氟聚醚等熱塑性材料及氟橡膠通過了液氧環境下的機械沖擊敏感性測試，其他的彈性體、塑料及粘結劑在測試時均會出現火花、爆炸等敏感現象。

許多材料（包括很多聚合物和金屬）在高壓、高純氧環境下（尤其是受到機械沖擊、摩擦或存在污染物時）會發生劇烈的氧化反應，甚至自燃或爆炸。液氧相容性樹脂必須經過嚴格測試（如 NASA STD 6001, ASTM D2512, G86 等標準），證明其在液氧環境中受到機械沖擊、摩擦、絕熱壓縮或存在污染物時，不會發生燃燒、爆炸或其他劇烈反應。使用不相容的材料會導致災難性后果（例如2015年6月28日由美國太空探索技術公司（SpaceX）實施的獵鷹9號運載火箭發射失敗事故）。

圖：6.28美國火箭爆炸事件

材料液氧相容性的標準測試方法(ASTM G86)規定了液氧環境下測試材料對機械沖擊敏感性的基本流程：將98 J能量的重物從1.1 m高度自由釋放，沖擊浸泡在液氧環境中的材料。如果材料在20次獨立的機械沖擊測試中，無燃燒、爆炸、火花或者焦黑等敏感性反應現象出現；或者出現一次敏感性反應，但在后續的40次獨立測試中無敏感性現象發生，則認為材料與液氧相容，否則該材料歸屬于液氧不相容材料。該測試方法是工程師根據材料的使用環境及工作經驗制定，他們認為在98 J沖擊能量的作用下如果材料與液氧間無任何反應發生，那么該材料可以在液氧系統中安全使用。

圖：液氧沖擊試驗

圖：液氧沖擊敏感性反應（爆炸）

4、維持結構完整性（密封性與抗微裂紋）：

貯箱必須絕對密封，防止液氧泄漏（極其危險）或蒸發損失。

耐低溫樹脂需要具有：

低的熱收縮率：在從室溫冷卻到液氧溫度的巨大溫變下，樹脂與碳纖維的熱膨脹系數需要良好匹配，否則會產生巨大的內應力，導致界面脫粘或基體開裂。

優異的抗微裂紋能力：低溫下的收縮應力、飛行中的機械載荷（內壓、振動、加速度）都可能導致樹脂基體產生微裂紋。高性能樹脂需要抵抗這種開裂，特別是防止裂紋貫穿整個壁厚導致泄漏。耐低溫韌性是抗微裂紋的關鍵。

良好的界面結合力：樹脂必須與碳纖維在低溫下保持牢固的結合，防止纖維與樹脂脫粘（分層），這也是結構失效和潛在泄漏的途徑。

5、良好的工藝性能：

制造大型、復雜形狀的CFRP貯箱（如纏繞成型、自動鋪帶/鋪絲、真空輔助樹脂灌注等）要求樹脂具有：合適的粘度與流變特性，確保樹脂能充分浸潤致密的碳纖維束。

可控的固化特性：包括適用期、固化溫度、固化速率等，以適應大型構件的制造工藝和固化設備（如大型熱壓罐）。

低孔隙率：固化后基體應致密，盡量減少孔隙和缺陷，這些缺陷會顯著降低復合材料的力學性能和密封性，并在低溫下成為應力集中點和潛在的裂紋源。

6、優異的熱性能和抗疲勞性能：

低的熱導率：CFRP本身導熱性低于金屬，但樹脂的選擇也會影響整體熱性能，有助于減少液氧的蒸發（雖然通常還需要額外的絕熱措施）。

抗熱循環疲勞：火箭經歷從地面環境溫度到飛行中液氧溫度的多次循環。樹脂基體需要承受這種反復的熱應力而不產生累積損傷或性能退化。

抗機械疲勞：承受飛行過程中的振動、沖擊和內壓循環載荷。

總結來說，高性能耐低溫液氧相容性樹脂是解鎖全碳纖維火箭（尤其是液氧貯箱）巨大潛力的“鑰匙”：它使得利用碳纖維的極致輕量化優勢成為可能；它確保了結構在極端低溫環境下的力學性能和完整性；它提供了與強氧化劑液氧接觸時必不可少的安全性保障（防止燃燒爆炸）；它維持了貯箱的密封性，防止危險泄漏；它滿足了復雜大型構件制造的工藝要求。

沒有這種關鍵的樹脂材料，全碳纖維液氧貯箱就無法實現其預期的輕量化目標和安全可靠運行。因此，研發和優化此類樹脂是發展下一代高性能、低成本運載火箭的核心技術挑戰之一。

微光一號運載火箭所使用的環氧樹脂介紹：

通過向環氧樹脂分子結構中引入特種元素（P、Br等）來改善環氧樹脂液氧相容性的方法，通過結合98J液氧沖擊試驗、樹脂熱解動力學分析、樹脂熱重-紅外-質譜聯用分析、樹脂表面元素分析、分子動力學模擬等測試表征方法，提出特種元素提高環氧樹脂液氧相容性的作用機制：特種元素功能團的引入會降低樹脂基體的熱分解速率，從而降低樹脂在液氧環境受到外部能量作用時因樹脂分解而產生的可燃物；當樹脂分解后特種元素官能團會在氣相釋放含特種元素的自由基，其能捕獲高活性自由基(H·，·OH)，從而達到不斷淬滅高活性自由基的作用，減少液氧與高活性自由基發生鏈式放熱反應的概率，從而提高環氧樹脂與液氧的相容性。在上述理論指導下，合成了磷雜菲液氧相容環氧樹脂基體，成功通過98J液氧沖擊感性考核測試，并利用該材料體系成功制造全碳纖維復合材料液氧貯箱原理樣機。

圖：碳纖維復合材料貯箱低溫測試

微光啟航將持續推進微光一號全碳纖維火箭研發，進行3.35米直徑共底貯箱、3.8米直徑燃箱貯箱的工程產品制造。填補碳纖維復合材料在液體火箭結構領域全覆蓋使用的空白。