高溫會使材料膨脹、軟（ruǎn）化乃至（zhì）分（fèn）解，低溫則讓其步入“脆性世界”。在航空航天、北極電子、寒（hán）區汽（qì）車與液（yè）化天然氣（LNG）管路等應用場景中，零部件往往需在 −40 ℃、−70 ℃甚（shèn）至 −196 ℃長時間服役。低溫試驗箱通（tōng）過可重（chóng）複的受控環境，提前暴露潛在失（shī）效模式，為（wéi）設計裕量與材料篩（shāi）選提供量化依據。以“現象（xiàng）—機理—案例—對策”為主線，漫談各類物件在低溫檢測過程中的典型變化，供研發、質（zhì）量及試驗工程師參（cān）考。
二、塑料與橡膠：從（cóng）柔韌到“玻璃態”的脆性轉變
現象描述
• 邵氏硬度增加 10–20 HA，彎曲模量提升 30 % 以上；
• 簡支梁衝（chōng）擊強度下降 70 %，斷口（kǒu）由（yóu）韌性“銀紋”轉為鏡麵狀脆性；
• 卡扣、搭扣類結構（gòu）在裝（zhuāng）配（pèi）力不變的前提下出現剪裂。
機理淺析
非晶態高聚物的玻璃化轉變溫度（Tg）通常在 −20 ℃～+100 ℃之間。當試驗箱以 1 ℃/min 速率降至 −50 ℃時，分子鏈（liàn）段運動被“凍結”，自由體（tǐ）積驟減，宏觀表現為脆化。
案例
某新能源車企的 ABS 傳感器支架在 −40 ℃/4 h 後跌（diē）落試驗破裂，原因為選材 Tg 僅 −30 ℃。更（gèng）換 PC/ABS（Tg −90 ℃）後（hòu）通過驗證。
試驗對策
在低（dī）溫箱內配置氣動衝（chōng）擊夾具，實時監測衝擊能量衰（shuāi）減曲線；對密封樣品預先（xiān）幹燥 4 h，避免結霜幹擾數據。
三、金屬與合金：冷縮應力與低溫斷裂
現象描述
• 線（xiàn）膨脹係（xì）數差異導致鋁‐鋼螺栓界麵預緊力下降 15 %，出現（xiàn）“冷鬆”；
• 奧氏體不鏽鋼在 −196 ℃應變誘發馬氏體（tǐ）相變，表麵出現微裂紋；
• 低溫疲勞裂紋擴展速率提高 2～3 倍。
機理淺析
體（tǐ）心立方（BCC）金屬（shǔ）存（cún）在韌脆轉變溫度（DBTT）。當（dāng）箱溫低於 DBTT，位錯滑移受阻，解理麵成為主導（dǎo）斷裂路徑。
案例
國產（chǎn）某型號 LNG 罐體用 9 %Ni 鋼，在 −170 ℃低溫拉伸出現“平台鋸齒”，延伸率僅 8 %（室溫 25 %）。通（tōng）過降低 P、S 雜質與（yǔ）微合金化，DBTT 由 −120 ℃降（jiàng）至 −180 ℃，滿足儲運要（yào）求。
試驗對策
采用帶引伸計的低（dī）溫拉伸夾具，箱（xiāng）內通幹燥氮氣防止結霜；對（duì）焊縫區（qū）域做 −70 ℃/3 h 夏比（bǐ）衝擊，要求衝擊功 ≥34 J。
四、玻璃與陶瓷：靜電衰減與熱震龜裂
現象描述
• 玻璃表麵電阻率由 10^12 Ω 降至 10^9 Ω，靜電吸附灰塵能力減弱；
• 微（wēi）晶玻璃在 −60 ℃↔+80 ℃熱循環（huán） 20 次後（hòu）邊緣出現 0.1 mm 級（jí）龜裂。
機（jī）理淺析
低溫下堿金屬離子遷移率降低，表麵導電層變厚，靜電荷易泄放；熱（rè）震溫差使表麵張（zhāng）應力超過斷裂（liè）模量。
案例
航天光學窗口采用石英玻璃，經 −55 ℃/16 h 低溫存放後，表麵散射率增加 2 %，原因在於微裂紋導致（zhì）光散射。改進離子交換強化工（gōng）藝後通過（guò）驗證。
五、含水材料與結冰膨脹
現象描述
• 鋰離子電池電解液在 −30 ℃析（xī）出 LiPF6 晶體，極片鼓脹 4 %；
• 生物試劑（jì）凍存管經 −80 ℃後密封圈出（chū）現冰楔，複溫時泄漏。
機理淺析
水→冰體積膨脹 9 %，若孔隙率（lǜ）>5 %，內（nèi）部拉應力可達 50 MPa，足以撕裂聚丙烯管壁。
試驗對策
采用程序控（kòng）溫：0 ℃～−10 ℃區（qū）間降 0.5 ℃/min，提供“過冷”緩衝；箱內配置 304 不（bú）鏽鋼防爆網，防止（zhǐ）凍（dòng）存管（guǎn）爆裂飛濺。
六（liù）、潤滑與運動副：黏度激增與“低溫滯澀（sè）”
現象描述
• 礦（kuàng）物基潤滑脂在 −40 ℃錐入度下降（jiàng） 60 %，啟動扭矩增大 5 倍；
• 步進電（diàn）機（jī）減速箱出現“冷焊”痕跡，齒麵擦傷。
機理淺析
基礎油傾點高，蠟晶析出形成三維網絡，流動活化能呈指數上升（shēng）。
案例
某軍用（yòng）無人機舵（duò）機在 −55 ℃通電檢測時堵轉，換用 PAO 合成油（傾點 −70 ℃）後，啟動電流由 1.2 A 降至 0.4 A，問（wèn）題（tí）解決。
七（qī）、無（wú）源器件：電參（cān）數漂移
現象描述
• NPO 陶瓷電容容量下降（jiàng） 0.3 %/10 ℃，−55 ℃時（shí）總漂移 −1.5 %；
• 電解電容等效串聯電阻（ESR）增大 2 倍，紋波發熱加劇；
• 精密（mì）金屬膜電（diàn）阻阻值下降 0.1 %，對低溫橋式測量帶來係統誤差（chà）。
機理淺析
介（jiè）電常數（shù）與載（zǎi）流子遷移率隨溫度（dù）降低呈線性或指數變化，鋁電解液黏度增加導致離子導電率下降。
試驗對策
在低（dī）溫箱內搭建（jiàn）四線製測試夾具（jù），使用 PT100 實時測溫，軟（ruǎn）件補償（cháng）溫度係數；對關鍵電路做 −40 ℃/8 h 帶電老化，剔除早（zǎo）期失效。
八、燃燒與安全：火焰傳播速（sù）率下降（jiàng）
現象（xiàng）描述
• 聚乙烯電纜護套在 −30 ℃氧指數由 17.5 % 升至 21 %，火焰傳播（bō）速（sù）率下降 30 %；
• 但低溫下（xià）材料脆化，滴（dī）落（luò）物易二次引燃。
案例
某艦船電纜通過 −40 ℃低溫傾斜燃燒試驗，要求自熄時間 ≤10 s，脆斷滴落導致不合格。調整配方引入 8 % 乙烯-醋（cù）酸乙烯共聚物（EVA）後，兼顧低溫韌性與阻燃（rán）性。
九、綜合（hé）選型與試驗設計建（jiàn）議
溫度範圍
• 電子產品寒區存（cún）儲：−40 ℃已覆蓋 90 % 應用場景（jǐng）；
• 航（háng）天光學件：需液氮級 −196 ℃深冷（lěng）箱，並配置防凝露幹燥氮氣。
升降溫策略
推薦 1 ℃/min 以下慢速降溫，減（jiǎn）少熱衝擊（jī）；對焊縫或注塑件，可設置 −10 ℃、−30 ℃、−50 ℃三平台駐留，每平台 30 min，采集應力應（yīng）變數（shù）據。
負載校驗
箱內風循環（huán）需保證空載—滿載溫度偏差 ≤2 ℃；對 100 kg 以上金屬工裝，應提前做（zuò）低溫變（biàn）形量測量（liàng），防止（zhǐ）夾具冷（lěng）縮（suō）引入（rù）額外應力。
數據追溯
采用 LAN 口遠程記錄（lù），溫度采樣周期 1 s，濕度（若有）采樣 2 s，文件格式符合 ISO 17025 要（yào）求，確保審計追蹤。
低溫試驗箱不僅是一台“降溫（wēn）機”，更是一麵“材料（liào）性能的照（zhào）妖鏡（jìng）”。從塑料的脆化、金屬的冷裂，到電解液的析出、潤滑脂的凝固，每一類失效都在提示工程師：材料選擇（zé）、結構設（shè）計（jì）、工藝（yì）路線與試驗驗證必須閉環。唯有在研發早期（qī）充分（fèn）經曆 −70 ℃的“極寒體檢”，產品（pǐn）才能在北極（jí）、高空或深空等（děng）極端環境下（xià）穩健運（yùn）行（háng）。我們專（zhuān）注於環境可靠性試驗設備研發與（yǔ）製造，可提供 −196 ℃～+200 ℃寬域低溫箱、深冷衝擊箱及定製化在線監測試驗係統，歡迎各界專家蒞臨指導（dǎo），共同探討材料在低溫世界的無限可能。
|
