近年来,以重型运载火箭为代表的航天器研发是各国未来空间战略的核心,如何进一步有效提高航天器的运载能力并降低发射成本是亟待解决的重要问题。航天器的液氧贮箱作为重要的结构部件,它决定了航天器的运载能力。采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）代替金属合金作为制备液氧贮箱的结构材料,可使燃料贮箱自身减重40%,并使火箭总重减少14%。但由于液氧介质具有温度低（沸点:-183℃,90 K）和氧化性强的特点,复合材料长时间浸泡在其中容易出现安全问题。故而,液氧贮箱用环氧树脂基体需要具有良好的低温性能和优异的液氧相容性。本文从改善环氧树脂的低温韧性和液氧相容性入手,具体研究内容和结论有:（1）聚氨酯（PU）改性环氧树脂力学性能研究。以E51环氧树脂为基体,二氨基二苯砜（DDS）为固化剂,研究了不同含量PU（10 phr～60 phr）对环氧树脂的相分离过程、力学性能的影响。观测表明,相分离在固化反应的初始阶段速率较高,随着反应进行,第二相粒子直径相应增大直至形貌稳定。粒子的最终直径随PU含量增加而增大,当PU含量达到40 phr时,其平均直径为2.26μm;当PU含量超过40 phr时,界面模糊,出现共连续结构。室温和低温（90 K）下的力学测试表明,当PU含量为40 phr时增韧效果最佳:室温下断裂韧性值为1.63 MPa·m0.5,相比改性之前提高了137.26%,90 K下断裂韧性值为2.23 MPa·m0.5,相比改性之前提高了60.29%。（2）PU改性环氧树脂的微观增韧机理研究。采用理论分析和有限元模拟相结合的方法对第二相粒子增韧机理进行解释,结果表明粒子桥接和剪切带分别在增韧机理中起主要作用和次要作用。考虑温度和PU含量的影响,并通过代表性体积单元对理论模型中von Mises应力在塑性基体中的最大应力集中系数进行了修正,最后预报了几种增韧机理在不同温度和不同PU剂量下的增韧贡献。（3）PU和氧化石墨烯（GO）协同改性环氧树脂的力学性能和液氧相容性研究。采用改进的Hummers法制备了GO,并对其基本特征进行了表征。在第三章基础上选取PU含量为10 phr,进一步将GO引入环氧树脂中。结果表明,GO的引入将协同增强增韧环氧树脂基体,添加GO含量为0.1 phr时效果最佳。PU引入的互穿聚合物网络结构和GO协同增韧,显著改善了环氧树脂基体在低温下的断裂韧性,其值为4.768 MPa·m0.5,比未改性树脂提高了243.02%。液氧冲击敏感性测试表明,GO和PU的分别引入将有助于改善环氧树脂的液氧相容性,当引入GO为0.1 phr时,没有任何敏感现象发生,表现为通过液氧冲击敏感性实验。低温韧性的提高将吸收更多的冲击能量,有助于提高环氧树脂基体的液氧相容性。