1. 引言
高温环境在工业领域的普遍性：在现代工业领域中，高温环境是航空航天、能源电力等关键行业不可忽视的重要工况条件。例如，在航空航天领域，飞行器在高速飞行过程中会面临极端的气动加热，其表面温度可高达数千摄氏度；而在能源电力行业中，燃气轮机、核电站等设备长期运行于高温高压环境下，对材料的耐热性能提出了极高要求[3]。特种设备作为这些领域的核心装备，其性能直接决定了系统的安全性和可靠性。因此，研究高温环境下特种设备的材料行为及其设计应用，不仅是技术发展的必然需求，更是保障工业安全的关键所在。
复合材料在特种设备中的应用趋势：随着科技的进步，复合材料因其高强度、低密度以及优异的耐腐蚀性能，逐渐成为特种设备制造中的关键材料。特别是在高温环境下，复合材料展现出显著的优势。例如，碳纤维增强复合材料凭借其耐高温、抗疲劳等特性，已被广泛应用于航空航天及国防军工领域[2]。此外，树脂基纤维增强复合材料结合耐高温树脂（如双马树脂、聚酰亚胺等），能够在200°C以上连续使用，并承受高达480°C以上的间歇使用温度，表现出极高的适用性[3]。这种材料不仅满足了特种设备对轻量化和高性能的需求，还推动了相关行业的技术革新与发展。
2. 高温环境下复合材料性能变化
2.1 力学性能变化
2.1.1 强度衰减
在高温环境下，复合材料的强度衰减是其力学性能变化的重要表现之一。研究表明，随着温度的升高，复合材料的拉伸、压缩等强度均呈现显著下降趋势。这一现象主要归因于基体材料在高温下的软化及纤维与基体界面黏结性能的降低[5]。例如，在碳纤维增强环氧树脂（EP）复合材料中，高温导致基体树脂发生热分解和分子链松弛，从而削弱了其对纤维的支撑作用。实验数据表明，当环境温度从常温升至70℃时，该复合材料的弯曲强度下降了28.8%[4]。类似地，C/SiC复合材料在高温空气中的性能测试结果显示，其压缩强度从室温下的247 MPa降至1000℃时的78 MPa，性能降低达68%[8]。此外，高温氧化还会进一步损伤材料基体与碳纤维结构，加剧纤维断裂程度，从而加速强度衰减[8]。因此，复合材料在高温环境下的强度衰减不仅与基体材料的热稳定性密切相关，还受到纤维与基体界面结合状态的影响。
2.1.2 刚度变化
高温对复合材料刚度的影响同样不可忽视，其变化直接关系到特种设备的运行性能与安全性。复合材料的刚度通常由弹性模量来衡量，而高温会导致弹性模量显著下降。以碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料为例，实验结果表明，当温度达到220℃时，其弹性模量下降了89.20%[13]。这种刚度变化的主要原因在于高温下纤维与树脂界面脱粘以及树脂由玻璃态转化为高弹态后力学性能的显著变化[13]。对于碳纤维增强EP复合材料，高温环境下弯曲弹性模量的下降幅度也较为明显，在70℃时较常温条件降低了8.3%[4]。刚度的降低不仅会影响特种设备的承载能力，还可能导致结构变形，进而影响设备的整体性能与可靠性。因此，在实际应用中，需充分考虑复合材料在高温环境下刚度变化对设备性能的作用，并采取相应措施进行优化设计。
2.2 热学性能变化
2.2.1 热稳定性
复合材料在高温环境下的热稳定性是评估其耐久性与适用性的重要指标之一。热稳定性通常通过热分解温度、残炭率等参数进行表征。研究表明，树脂基复合材料在高温条件下的热分解行为与其基体材料的热稳定性密切相关。例如，采用耐热杂化酚醛树脂（PF）为基体、碳纤维编织物（CF）增强的复合材料（PF/CF-HT01），其空气中初始分解温度为405.3℃，800℃时的残炭率为42.8%[1]。相比之下，纯树脂基体的初始分解温度为387.3℃，最大分解温度为644.7℃，800℃时的残炭率仅为13.8%[1]。这表明碳纤维的引入显著提高了复合材料的热稳定性。此外，复合材料在高温下的热分解过程还受到纤维与基体界面结合状态的影响，良好的界面结合有助于延缓热分解反应的发生[5]。因此，在设计高温环境下使用的复合材料时，需重点关注其热稳定性指标，以确保材料在极端条件下的可靠性。
2.2.2 热膨胀系数
复合材料中纤维与基体热膨胀系数的差异在高温环境下会对材料整体性能产生重要影响。由于纤维与基体的热膨胀行为不一致，高温可能导致材料内部产生热应力，进而引发界面脱粘、微裂纹扩展等问题[5]。例如，在碳纤维增强复合材料中，碳纤维的热膨胀系数通常低于树脂基体，高温环境下基体发生膨胀而纤维保持相对刚性，这种不匹配会导致界面处出现剪切应力，从而削弱材料的力学性能[5]。实验数据表明，高温条件下复合材料弯曲强度的下降部分归因于热膨胀系数差异引起的界面退化[4]。此外，热膨胀系数的差异还可能影响材料的热稳定性，特别是在循环温度载荷作用下，热应力的累积会加速材料的老化与失效[8]。因此，在设计高温环境下使用的复合材料时，需合理选择纤维与基体材料，以减小热膨胀系数差异对材料整体性能的不利影响。
3. 复合材料的设计应用
3.1 基于工况需求的组分设计
在高温环境下，特种设备的运行条件对复合材料的性能提出了严格要求。因此，根据具体工况需求选择合适的纤维和基体材料组分是提升复合材料高温适应性的关键步骤。研究表明，高温固化环氧树脂与芳纶纤维的匹配性良好，其复合材料表现出优异的层间剪切强度和冲击性能[12]。这种组合不仅具有较高的玻璃化转变温度，还展现出良好的耐热性和高温力学性能。此外，针对不同的高温应用场景，可以选择具有特定功能的增强纤维，如碳纤维或陶瓷纤维，以进一步提高复合材料的耐高温能力。在基体材料的选择上，需综合考虑其热稳定性、化学惰性以及与增强纤维的界面相容性。例如，高温固化环氧树脂因其低粘度特性和优异的粘接性能，在高温预浸料制备中表现出显著优势[12]。通过合理设计纤维与基体的比例及分布，可以有效改善复合材料在高温下的综合性能，从而满足特种设备对材料性能的苛刻需求。
3.2 结构优化设计
除了组分设计外，复合材料的铺层结构和界面结构的优化设计也是提升其在高温环境下力学性能与稳定性的重要手段。铺层角度的合理配置能够显著影响复合材料的整体刚度与强度。例如，在含孔复合材料层合板的设计中，通过调整铺层顺序和角度，可以有效延缓屈曲行为的发生，并提高结构的承载能力[10]。同时，界面结构的优化对于改善纤维与基体之间的应力传递至关重要。良好的界面相容性不仅能够增强复合材料的层间结合强度，还可以减少因热膨胀系数差异引起的内应力集中现象[12]。实际案例表明，采用热熔法制备的高温固化环氧脂芳纶布预浸料，通过热压罐工艺固化成型后，其复合材料层合板在高温环境下表现出优异的力学性能和稳定性[12]。此外，结合有限元分析方法，可以对复合材料结构进行精确模拟与优化，从而为特种设备的设计提供科学依据[10]。这些优化措施不仅提升了复合材料的高温性能，也为特种设备在复杂工况下的可靠运行提供了保障。
4. 制备工艺对复合材料性能与应用的影响
4.1 高温环境下制备工艺的难题
在高温环境下复合材料的制备过程中，胶粘剂的选择和界面结合是两大关键工艺难题。首先，胶粘剂作为连接复合材料各组分的重要媒介，其性能直接影响材料的整体力学性能与热稳定性。然而，在高温条件下，常规胶粘剂易发生软化、分解甚至失效，导致复合材料层间结合强度显著降低[3]。其次，复合材料中纤维与基体之间的界面结合也面临挑战。由于纤维与基体的热膨胀系数差异较大，高温环境下会产生较大的热应力，从而削弱界面结合强度，甚至引发微裂纹的萌生与扩展[3]。此外，高温条件下的工艺控制要求更为严格，例如固化温度、时间等参数的微小波动都可能对最终材料的性能产生显著影响，进一步增加了制备工艺的复杂性。
4.2 解决方案与工艺改进
针对上述难题，研究人员提出了多种解决方案以优化复合材料的制备工艺。在胶粘剂选择方面，开发耐高温胶粘剂成为关键方向之一。例如，双组份耐高温胶粘剂、多组份耐高胶粘剂以及结构胶膜等材料因其优异的耐高温性能而被广泛应用[3]。实验结果表明，这些胶粘剂在高温环境下能够保持较高的粘接强度，有效提升复合材料的整体性能。此外，通过引入新型界面改性技术，如表面处理、涂层技术等，可以显著改善纤维与基体之间的界面结合强度，减少热应力的影响[3]。在工艺改进方面，采用先进的成型工艺（如热压罐成型、真空辅助成型）结合精密的温控系统，能够更好地控制固化过程，从而提高复合材料的性能稳定性和一致性[3]。这些解决方案与工艺改进措施不仅提升了复合材料的高温适应性，还为其在特种设备领域的应用提供了可靠保障。
5. 未来发展方向展望
5.1 新材料研发
随着工业技术的不断进步，对复合材料在高温环境下的性能要求日益提高。研发具有更高耐温性能和更好综合性能的新型复合材料成为未来发展的关键方向之一。例如，超高温陶瓷改性C/C复合材料（C/C-UHTC）因其优异的高温抗氧化烧蚀性能，已成为新一代飞行器热防护系统的理想候选材料[14]。通过引入Zr系或Hf系超高温陶瓷相，可以显著提升C/C复合材料在极端高温环境中的稳定性和抗烧蚀能力。此外，探索新型基体材料和增强纤维的组合，如采用耐高温树脂基体与高性能碳纤维的复合，有望进一步拓展复合材料在高温领域的应用范围。这些新材料的研究不仅需要关注其基本性能优化，还需综合考虑成本效益和工程化应用的可行性。
5.2 多场耦合性能研究
在实际工程应用中，复合材料往往面临多种环境因素共同作用的复杂工况，因此开展高温与其他环境因素（如湿度、载荷等）多场耦合下的性能研究具有重要意义。研究表明，温度和湿度的协同作用会显著影响碳纤维增强复合材料的力学性能和耐久性[5]。例如，在高温高湿环境下，树脂基体易发生老化，导致材料强度下降和界面粘结性能退化。此外，外部载荷与高温环境的耦合作用可能引发材料内部应力集中，从而加速失效过程。因此，深入研究多场耦合条件下复合材料的性能演变规律，建立相应的理论模型和预测方法，对于提高复合材料在特种设备中的可靠性和安全性至关重要。未来的研究应更加注重实验与数值模拟相结合的方法，以全面揭示多场耦合效应对复合材料性能的影响机制。
参考文献
[1]李昊;宋世聪;张炫烽;王国庆;王程豪;吴伟旭;朱小飞;吴战武.树脂基防隔热一体化热防护复合材料高温性能演变分析[J].南京工业大学学报（自然科学版）,2024,46(2):180-187.
[2]王静;李闯;耿闻;何相明;周杰.碳纤维复合材料高温界面性能研究进展[J].高分子材料科学与工程,2024,40(3):163-171.
[3]王宝瑞;杨纪龙;李金儒;吴伟萍;刘佳;韩蓉.复合材料高温试样加强片应用浅析[J].纤维复合材料,2024,41(2):85-89.
[4]陈朝中;章潇慧;李要君;许豪;付延涛;林鹏.拉挤成型碳纤维增强EP复合材料高低温力学性能[J].工程塑料应用,2022,50(8):108-113.
[5]樊俊铃;马国庆;焦婷;陈曾美;韩啸.温度和湿度对碳纤维增强复合材料老化影响研究综述[J].航空科学技术,2023,34(9):1-13.
[6]秦唯铭;杜冰;朱绍伟;陈立明;李卫国;樊振华.环境温度对长玻纤增强聚丙烯单向拉伸力学性能的影响[J].材料导报,2023,37(20):237-242.
[7]张聪;夏超凡;袁振;李志华.高温作用对混杂纤维增强高延性水泥基复合材料拉伸性能的影响[J].功能材料,2020,51(2):2007-2013.
[8]陈伟华;王丽燕;张晗翌;季妮芝;李冠姝;马静.高温空气下C/SiC复合材料力学性能测试[J].国防科技大学学报,2021,43(6):26-32.
[9]唐君;袁泽帅;黄汝超;袁建宇;徐林;李军平;卢鹉.C/SiC复合材料在典型模拟环境下高温拉伸性能研究[J].宇航材料工艺,2023,53(2):85-89.
[10]吴世宝;陈冠旭;马佳;高婧.高温环境对含孔复合材料层合板屈曲性能的影响[J].河南科学,2020,38(5):703-709.
[11]沈泽慧;曹宇;郝晶莹;张琪凯;牛波;张亚运;龙东辉.高强度碳气凝胶复合材料的制备及结构、性能研究[J].复合材料科学与工程,2024,(6):5-14.
[12]乌云其其格;马连勇;李峰;张夺.高温固化环氧树脂芳纶复合材料性能研究[J].高科技纤维与应用,2020,45(6):17-22.
[13]牛一凡;杨赢;姚佳伟.环境温度对碳纤维/聚醚醚酮复合材料拉伸性能及疲劳寿命的影响[J].宇航材料工艺,2016,46(2):63-67.
[14]孙丹羽;朱世步;刘泰山;张强;马荣檄.超高温陶瓷改性C/C复合材料抗氧化烧蚀性能研究进展[J].材料导报,2024,38(S01):104-114.
[15]徐利强;周晓亮;赵建立;程明哲;孔魁.风电叶片复合材料在高温环境下的拉压力学性能研究[J].节能,2023,42(6):45-47.
