低温对塑料材料的影响

低温和高性能塑料

低温学是研究材料在极低温度下的生产和行为。低温环境的温度低于 -150°C。许多现代工业在各种应用中使用低温技术。其中一些应用包括低温燃料、航天器硬件以及医学和生物科学机械。应用包括冷冻机和磁共振成像 (MRI)、粒子加速器和超导磁体。 Curbell Plastics® 最近发表了 Keith Hechtel 博士关于低温对一些常见高性能塑料的影响的白皮书。本文将简要总结白皮书的一些要点。

机械性能

一般来说，所有材料在暴露于低温时都表现出更大的硬度和刚度。例如，当从室温冷却到 20°K (-424°F) 时，PTFE 的压缩模量从 100 kpsi 增加到 900 kpsi。然而，材料在低温下变得更脆，并具有较低的悬臂梁式冲击强度和拉伸伸长率。拉伸伸长率描述了材料在断裂前在压力下弯曲的程度。塑料已经比许多金属更容易折断。因此，在承受高压力或冲击的低温环境设计中使用塑料时，必须采取特殊的预防措施。

热性能

在设计用于低温应用的塑料部件时，重要的是要考虑塑料的高 CTE 或热膨胀系数。基本上，塑料在冷却时往往比其他材料收缩得更多，而在加热时则膨胀得更多。例如，当材料从室温冷却到接近 0°K 时，PTFE 收缩 2.2%，而铝收缩不到 0.5%。在金属和塑料部件必须保持紧密接触的应用中，这种收缩会导致真正的问题。 Hechtel 还指出，可以使用碳纤维和玻璃纤维来缓解这种收缩问题。

摩擦和磨损

自 1960 年代以来，低温处理或硬化已被用于提高钢的耐磨性。同样的基本原则也适用于塑料。一般来说，材料越硬，摩擦和磨损越低。 Hechtel 举了运动鞋与正装鞋的例子——运动鞋的鞋底更软，与地面的摩擦力更大。随着温度下降，塑料变得更硬，因此摩擦力更小。例如，塑料轴承还有一个额外的好处，即即使没有润滑也能表现出良好的耐磨性。这种特性在低温下尤其重要。许多油和其他润滑剂在这些极低的温度下可能表现不佳。