氰酸酯基复合材料具有比强度高、比模量高、耐疲劳以及成型工艺性好等优点,是常用航天器结构材料之一。随着航天器向长寿命、高可靠方向发展,对所用材料提出了更高的要求,因而制备具有高强度、高韧性和空间环境适应性强等性能于一体的氰酸酯基复合材料具有十分重要的理论和工程意义。本论文首先利用多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）、石墨烯（r GO）和二氧化钛（Ti O₂）设计并合成集抗空间电子辐照和原子氧辐照性能于一体的POSS-rGO-Ti O₂（PGT）纳米改性剂。采用水热法,以氧化石墨烯与钛酸四丁酯为原料,合成rGO-Ti O₂复合物,再采用液相法使其与POSS复合得到POSS-r GO-Ti O₂改性剂;利用透射电子显微镜、X射线衍射、傅里叶转换红外光谱、X射线光电子能谱等对其微观形貌、晶体结构和化学组成等进行表征和分析。研究结果表明,改性剂中Ti O₂和POSS纳米粒子通过物理吸附均匀负载于rGO纳米片上。此外,Ti O₂表面的羟基及POSS表面的胺基与r GO表面的羧基等反应成键,有效抑制了纳米片的褶皱和团聚,进而获得了比表面积大、表面活性高、多组分协同作用的新型POSS-r GO-Ti O₂纳米改性剂。 制备了POSS-r GO-Ti O₂改性氰酸酯/碳纤维复合材料,研究了改性剂添加量对树脂浇铸体及其复合材料力学性能的影响规律及改性机制。随着改性剂添加量的增加,材料的力学性能均呈先增加后减小的趋势,当添加量为3 wt%时,力学性能均达到最大值;改性后树脂浇铸体的拉伸、弯曲和压缩强度分别提高了32%、30%和42%,改性后复合材料的拉伸、弯曲和层间剪切强度分别提高了6%、20%和7%。由于Ti O₂、r GO及POSS表面丰富的活性基团彼此反应,同时与氰酸酯树脂和碳纤维表面的活性基团发生键合,从而形成牢固而稳定的交联网络结构,不但提高树脂基体的交联密度,而且增强材料之间的界面结合,改善界面性能,从而有效传递应力,提高了氰酸酯树脂浇铸体及其复合材料的力学性能。利用空间环境效应地面模拟器模拟空间电子辐照,研究了空间电子辐照注量和能量对改性前后氰酸酯树脂浇铸体及其复合材料质量损失、力学性能和尺寸稳定性的影响规律。结果表明,POSS-rGO-Ti O₂对树脂浇铸体及其复合材料的增强增韧作用和抗空间电子辐照损伤效应优于Ti O₂和r GO-Ti O₂纳米改性剂。空间电子辐照注量对材料力学性能的影响较大,随着辐照注量的增加,材料的力学性能略有增加,当辐照注量超过1.0×10¹⁶e/cm²时,则呈下降趋势。这是由于空间电子辐照下材料同时发生交联和降解反应,低辐照注量时,交联反应为主,高辐照注量时,降解反应为主。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶转换红外光谱、X射线光电子能谱等对材料表界面微观形貌和化学组成进行表征和分析,并利用Casino软件模拟电子在材料中的运行轨迹,进而探讨POSS-r GO-Ti O₂改性复合材料的抗空间电子辐照损伤机制。发现POSS和Ti O₂纳米粒子能吸收入射电子的能量,并阻挡和改变其行进方向,从而减少空间电子对材料的损伤;舒展的r GO纳米片可构建较大面积导电网络,形成导电通路,有效缓解材料的放电损伤,进而提高了POSS-rGO-Ti O₂改性氰酸酯/碳纤维复合材料的抗空间电子辐照损伤性能。研究了原子氧辐照注量对改性前后氰酸酯树脂浇铸体及其复合材料质量损失、力学性能和尺寸稳定性的影响规律。随着原子氧辐照注量的增加,材料的质量损失率逐渐增加且力学性能逐渐降低,其中POSS-r GO-Ti O₂改性树脂浇铸体及其复合材料的质量损失率最小、力学性能损伤最小。这表明POSS-r GO-Ti O₂对氰酸酯树脂浇铸体及其复合材料的增强增韧作用及抗原子氧辐照损伤性能较好。利用SEM、AFM、FTIR、XPS等对材料表界面微观形貌和化学组成进行表征和分析,探讨POSS-rGO-Ti O₂改性复合材料的抗原子氧辐照损伤机制,发现Ti O₂纳米粒子阻挡入侵的原子氧,改变其行进方向;舒展的r GO纳米片提供物理屏障,有效阻隔原子氧对材料内部的渗透和掏蚀;POSS与原子氧反应生成具有自修复作用的Si O₂钝化层,对材料内部进行有效保护;三种组份发挥协同作用,使得POSS-r GO-Ti O₂改性复合材料能够有效防护原子氧的侵蚀。