低溫環(huán)境對(duì)碳纖維性能的影響是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，現(xiàn)有研究表明，液氮（-196℃）和液氧（-183℃）等超低溫介質(zhì)處理會(huì)導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生微裂紋，并引發(fā)殘余應(yīng)力釋放，進(jìn)而降低材料剩余強(qiáng)度，研究還發(fā)現(xiàn)，超低溫處理與拉—壓疲勞的耦合作用會(huì)使材料剩余強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的復(fù)雜變化規(guī)律，不同材質(zhì)的超低溫性能不僅受溫度影響，還與介質(zhì)類型、蒸汽壓等環(huán)境因素密切相關(guān)，目前學(xué)界多采用液氮替代液氧進(jìn)行超低溫實(shí)驗(yàn)，但需注意特定材質(zhì)的性能可能因介質(zhì)差異產(chǎn)生顯著區(qū)別。

超低溫對(duì)碳纖維性能的影響

概述

碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料暴露在超低溫環(huán)境中（如-186℃）時(shí)，其力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化。以下是超低溫對(duì)碳纖維復(fù)合材料性能影響的具體分析：

具體影響

拉伸性能

在超低溫環(huán)境下，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)下降，而彈性模量則會(huì)上升。具體來(lái)說(shuō)，以T700/TDE-85碳纖維復(fù)合材料為例，在常溫下其單向板拉伸強(qiáng)度均值為1883.93 MPa，而在超低溫環(huán)境下（-183℃，接近-186℃），拉伸強(qiáng)度均值降至1534.51 MPa，下降幅度約為18.5%。同時(shí)，彈性模量從150.44 GPa上升至159.75 GPa，上升幅度約為6.2%。

彎曲性能

與拉伸性能不同，碳纖維復(fù)合材料在超低溫環(huán)境下的彎曲性能有所提升。同樣以T700/TDE-85碳纖維復(fù)合材料為例，在常溫條件下，0°單向板彎曲強(qiáng)度均值為700.22 MPa，而在超低溫環(huán)境下，彎曲強(qiáng)度均值上升至1093.57 MPa，上升幅度約為56.18%。此外，彎曲模量也從68.73 GPa上升至76.73 GPa，上升幅度約為11.64%。

應(yīng)用前景

盡管超低溫環(huán)境會(huì)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的某些力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，但其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景依然廣闊。例如，飛行器的液氧貯箱及工作系統(tǒng)使用溫度為-183℃，液氫燃料貯箱及工作系統(tǒng)使用溫度為-253℃，這些超低溫環(huán)境下碳纖維復(fù)合材料可用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)的燃料貯箱。隨著研究的深入，碳纖維復(fù)合材料在超低溫環(huán)境下的應(yīng)用潛力巨大，有望降低飛行器發(fā)射成本，提高發(fā)射效率，推動(dòng)航空航天事業(yè)發(fā)展。

結(jié)論

綜上所述，超低溫環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著影響，主要表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度下降、彈性模量上升以及彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的提升。盡管存在這些變化，碳纖維復(fù)合材料在超低溫環(huán)境下的應(yīng)用仍然具有重要意義，特別是在航空航天領(lǐng)域。未來(lái)的研究將繼續(xù)探索如何優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料的性能，以更好地適應(yīng)超低溫環(huán)境的要求。

超低溫下碳纖維修復(fù)技術(shù)

碳纖維在極寒環(huán)境中的應(yīng)用案例

超低溫對(duì)碳纖維疲勞壽命影響

碳纖維復(fù)合材料耐寒性能測(cè)試方法