為什么大家對(duì)于耐高溫材料的關(guān)注度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于耐低溫材料？

為何耐高溫材料的研發(fā)更受到關(guān)注，而耐超低溫材料的卻研究的相對(duì)較少呢？

如果要想解答這一問(wèn)題，就需從溫度的極限范疇切入。低溫的極限是絕對(duì)零度，數(shù)值為 0K，換算成攝氏度是 - 273.15℃；而高溫的極限竟高達(dá) 1.4×10^32K（1.4 億億億億卡爾文），這一溫度誕生于宇宙大爆炸的瞬間。

在實(shí)際材料應(yīng)用領(lǐng)域，如此極端的高溫幾乎不會(huì)出現(xiàn)。

不過(guò)在航空航天領(lǐng)域，材料必須具備在極端高、低溫條件下保持穩(wěn)定和可靠的性能。航天器件在重返大氣層時(shí)，會(huì)承受極高的溫度。

宇航員和載人航天任務(wù)的安全，也依賴于耐高溫材料對(duì)極端熱量的有效防護(hù)。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航天飛機(jī)的制造中，高溫材料是確保飛行安全的核心要素之一。在地面交通工具領(lǐng)域，高溫材料同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫，若發(fā)動(dòng)機(jī)材料無(wú)法耐受這種高溫，將導(dǎo)致性能下降甚至損壞。因此，研發(fā)和應(yīng)用高性能的耐高溫材料，對(duì)于提高汽車引擎的效率和壽命具有重要意義。

超耐低溫材料的研究中，人類已無(wú)限逼近絕對(duì)零度。

以聚酰亞胺為例，作為一種性能**的耐低溫材料，其最低耐溫可達(dá) - 269℃ ，即便處于液態(tài)氦環(huán)境中，依然不會(huì)發(fā)生脆裂現(xiàn)象，同時(shí)，它在耐高溫方面也展現(xiàn)出良好的性能。

再看常見的低溫物質(zhì)，液氮的沸點(diǎn)為 77K（-196℃），液氧的沸點(diǎn)是 90.188K（-182.96℃），液氦的沸點(diǎn)則更低，僅為 4.22K（-268.93℃），恰好處于聚酰亞胺的耐受極限。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，各類衛(wèi)星等航天器在太空的超低溫環(huán)境下，其結(jié)構(gòu)密封就高度依賴耐低溫密封材料；在民用領(lǐng)域，液氮密封、冷凍切割機(jī)密封等設(shè)備也離不開耐低溫材料的支持。

耐超低溫彈性體是研究的主要方向之一。

這就不得不提到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，它是衡量彈性體性能的關(guān)鍵參數(shù)。在升溫過(guò)程中，玻璃、聚合物等非晶態(tài)固體材料從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃埔后w柔軟狀態(tài)的臨界溫度點(diǎn)，即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

這類材料與普通物質(zhì)不同，它們不經(jīng)歷典型的液 - 固相變，而是在特定溫度下發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變。不同材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度存在差異，這一轉(zhuǎn)變不僅標(biāo)志著材料從固態(tài)到非晶態(tài)的變化，在部分情況下，也可被視作彈性體工作的溫度極限。

彈性體不僅要在低溫環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)完整性，不發(fā)生脆裂，還需維持良好的彈性，這對(duì)材料設(shè)計(jì)提出了更高的要求，通常需要采取外加保護(hù)措施或優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。在眾多彈性體材料中，某特殊牌號(hào)硅膠表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達(dá) -130℃左右 ，但較高的成本也限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

高分子材料低溫性能影響因素，主要涵蓋以下幾點(diǎn)。

分子結(jié)構(gòu)

分子結(jié)構(gòu)方面，高分子鏈段的柔順性對(duì)低溫性能具有關(guān)鍵影響。具有柔性鏈段的高分子，在低溫環(huán)境下，鏈段運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，能夠使材料保持良好的柔韌性和延展性。

例如，天然橡膠主鏈上的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)較為容易，鏈段柔順性良好，即使在較低溫度下，依然能夠維持一定的彈性，因此常被用于制造低溫環(huán)境下的密封件。

相反，含有大量剛性基團(tuán)的高分子，鏈段運(yùn)動(dòng)受到阻礙，在低溫時(shí)容易變脆，某些含有大量苯環(huán)結(jié)構(gòu)的工程塑料就存在這樣的問(wèn)題。

結(jié)晶度

結(jié)晶度較高的高分子材料，分子鏈排列規(guī)整，分子間作用力較強(qiáng)。在低溫條件下，這種有序結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料的硬度和脆性增加，韌性降低。

以全同立構(gòu)聚丙烯為例，其結(jié)晶度較高，在低溫時(shí)沖擊強(qiáng)度較低，容易發(fā)生脆性斷裂；而無(wú)定形高分子材料，分子鏈排列無(wú)序，鏈段活動(dòng)空間相對(duì)較大，在低溫下能夠較好地保持柔韌性，如無(wú)規(guī)聚苯乙烯在低溫下仍具有一定的韌性。

低溫助劑

增塑劑能夠插入高分子鏈之間，削弱分子間作用力，從而增加鏈段的柔順性。通過(guò)添加合適的增塑劑，可以降低高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使其在更低的溫度下仍能保持良好的柔韌性和可塑性。

在聚氯乙烯（PVC）中添加鄰苯二甲酸酯類增塑劑，能夠顯著改善 PVC 在低溫下的脆性，使其可用于制造低溫環(huán)境下的薄膜和管材。

共聚和共混技術(shù)

通過(guò)共聚反應(yīng)，將不同性能的單體單元引入高分子鏈中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分子鏈結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。以乙烯 - 丙烯共聚物為例，通過(guò)調(diào)整乙烯和丙烯的比例，可以獲得不同性能的材料，其低溫性能也能夠得到有效優(yōu)化。

共混則是將不同的高分子材料進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。將橡膠與塑料共混，可以顯著提高塑料的低溫韌性，如丁苯橡膠與聚苯乙烯共混得到的高抗沖聚苯乙烯，在低溫下的沖擊性能明顯優(yōu)于純聚苯乙烯。