高温会使材料膨胀、软化乃至分解，低温则让其步入“脆性世界”。在航空航天、北极电子、寒区汽车与液化天然气（LNG）管路等应用场景中，零部件往往需在 −40 ℃、−70 ℃甚至 −196 ℃长时间服役。低温试验箱通过可重复的受控环境，提前暴露潜在失效模式，为设计裕量与材料筛选提供量化依据。以“现象—机理—案例—对策”为主线，漫谈各类物件在低温检测过程中的典型变化，供研发、质量及试验工程师参考。
二、塑料与橡胶：从柔韧到“玻璃态”的脆性转变
现象描述
• 邵氏硬度增加 10–20 HA，弯曲模量提升 30 % 以上；
• 简支梁冲击强度下降 70 %，断口由韧性“银纹”转为镜面状脆性；
• 卡扣、搭扣类结构在装配力不变的前提下出现剪裂。
机理浅析
非晶态高聚物的玻璃化转变温度（Tg）通常在 −20 ℃～+100 ℃之间。当试验箱以 1 ℃/min 速率降至 −50 ℃时，分子链段运动被“冻结”，自由体积骤减，宏观表现为脆化。
案例
某新能源车企的 ABS 传感器支架在 −40 ℃/4 h 后跌落试验破裂，原因为选材 Tg 仅 −30 ℃。更换 PC/ABS（Tg −90 ℃）后通过验证。
试验对策
在低温箱内配置气动冲击夹具，实时监测冲击能量衰减曲线；对密封样品预先干燥 4 h，避免结霜干扰数据。
三、金属与合金：冷缩应力与低温断裂
现象描述
• 线膨胀系数差异导致铝‐钢螺栓界面预紧力下降 15 %，出现“冷松”；
• 奥氏体不锈钢在 −196 ℃应变诱发马氏体相变，表面出现微裂纹；
• 低温疲劳裂纹扩展速率提高 2～3 倍。
机理浅析
体心立方（BCC）金属存在韧脆转变温度（DBTT）。当箱温低于 DBTT，位错滑移受阻，解理面成为主导断裂路径。
案例
国产某型号 LNG 罐体用 9 %Ni 钢，在 −170 ℃低温拉伸出现“平台锯齿”，延伸率仅 8 %（室温 25 %）。通过降低 P、S 杂质与微合金化，DBTT 由 −120 ℃降至 −180 ℃，满足储运要求。
试验对策
采用带引伸计的低温拉伸夹具，箱内通干燥氮气防止结霜；对焊缝区域做 −70 ℃/3 h 夏比冲击，要求冲击功 ≥34 J。
四、玻璃与陶瓷：静电衰减与热震龟裂
现象描述
• 玻璃表面电阻率由 10^12 Ω 降至 10^9 Ω，静电吸附灰尘能力减弱；
• 微晶玻璃在 −60 ℃↔+80 ℃热循环 20 次后边缘出现 0.1 mm 级龟裂。
机理浅析
低温下碱金属离子迁移率降低，表面导电层变厚，静电荷易泄放；热震温差使表面张应力超过断裂模量。
案例
航天光学窗口采用石英玻璃，经 −55 ℃/16 h 低温存放后，表面散射率增加 2 %，原因在于微裂纹导致光散射。改进离子交换强化工艺后通过验证。
五、含水材料与结冰膨胀
现象描述
• 锂离子电池电解液在 −30 ℃析出 LiPF6 晶体，极片鼓胀 4 %；
• 生物试剂冻存管经 −80 ℃后密封圈出现冰楔，复温时泄漏。
机理浅析
水→冰体积膨胀 9 %，若孔隙率>5 %，内部拉应力可达 50 MPa，足以撕裂聚丙烯管壁。
试验对策
采用程序控温：0 ℃～−10 ℃区间降 0.5 ℃/min，提供“过冷”缓冲；箱内配置 304 不锈钢防爆网，防止冻存管爆裂飞溅。
六、润滑与运动副：黏度激增与“低温滞涩”
现象描述
• 矿物基润滑脂在 −40 ℃锥入度下降 60 %，启动扭矩增大 5 倍；
• 步进电机减速箱出现“冷焊”痕迹，齿面擦伤。
机理浅析
基础油倾点高，蜡晶析出形成三维网络，流动活化能呈指数上升。
案例
某军用无人机舵机在 −55 ℃通电检测时堵转，换用 PAO 合成油（倾点 −70 ℃）后，启动电流由 1.2 A 降至 0.4 A，问题解决。
七、无源器件：电参数漂移
现象描述
• NPO 陶瓷电容容量下降 0.3 %/10 ℃，−55 ℃时总漂移 −1.5 %；
• 电解电容等效串联电阻（ESR）增大 2 倍，纹波发热加剧；
• 精密金属膜电阻阻值下降 0.1 %，对低温桥式测量带来系统误差。
机理浅析
介电常数与载流子迁移率随温度降低呈线性或指数变化，铝电解液黏度增加导致离子导电率下降。
试验对策
在低温箱内搭建四线制测试夹具，使用 PT100 实时测温，软件补偿温度系数；对关键电路做 −40 ℃/8 h 带电老化，剔除早期失效。
八、燃烧与安全：火焰传播速率下降
现象描述
• 聚乙烯电缆护套在 −30 ℃氧指数由 17.5 % 升至 21 %，火焰传播速率下降 30 %；
• 但低温下材料脆化，滴落物易二次引燃。
案例
某舰船电缆通过 −40 ℃低温倾斜燃烧试验，要求自熄时间 ≤10 s，脆断滴落导致不合格。调整配方引入 8 % 乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）后，兼顾低温韧性与阻燃性。
九、综合选型与试验设计建议
温度范围
• 电子产品寒区存储：−40 ℃已覆盖 90 % 应用场景；
• 航天光学件：需液氮级 −196 ℃深冷箱，并配置防凝露干燥氮气。
升降温策略
推荐 1 ℃/min 以下慢速降温，减少热冲击；对焊缝或注塑件，可设置 −10 ℃、−30 ℃、−50 ℃三平台驻留，每平台 30 min，采集应力应变数据。
负载校验
箱内风循环需保证空载—满载温度偏差 ≤2 ℃；对 100 kg 以上金属工装，应提前做低温变形量测量，防止夹具冷缩引入额外应力。
数据追溯
采用 LAN 口远程记录，温度采样周期 1 s，湿度（若有）采样 2 s，文件格式符合 ISO 17025 要求，确保审计追踪。
低温试验箱不仅是一台“降温机”，更是一面“材料性能的照妖镜”。从塑料的脆化、金属的冷裂，到电解液的析出、润滑脂的凝固，每一类失效都在提示工程师：材料选择、结构设计、工艺路线与试验验证必须闭环。唯有在研发早期充分经历 −70 ℃的“极寒体检”，产品才能在北极、高空或深空等极端环境下稳健运行。我们专注于环境可靠性试验设备研发与制造，可提供 −196 ℃～+200 ℃宽域低温箱、深冷冲击箱及定制化在线监测试验系统，欢迎各界专家莅临指导，共同探讨材料在低温世界的无限可能。
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