低温贮箱作为贮存液体燃料的主要容器大概占运载火箭干重的70%,用轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）替代传统金属材料,有望使火箭燃料贮箱的重量减少25-30%、成本降低20-25%。碳纤维（CF）与树脂（EP）低温线膨胀不匹配性导致CFRP产生微裂纹进而造成渗漏,而渗漏是CFRP贮箱的主要失效形式。对此,本文分析了EP及CFRP低温热膨胀行为的演变机制及其影响因素,给出了低线膨胀系数EP和低温热膨胀性良好的CFRP最佳设计窗口。首先,为研究EP低温热膨胀系数的变化规律及分子结构对线膨胀系数（CTE）的影响,本文测试了室温～-196℃温度范围内EP的线膨胀系数,并在此低温数据基础上根据有关文献建立数据模型,通过回归分析给出有效解析表达式。结合热物理性质的测试结果验证了EP的温度依赖性具有区间性,CTE随着温度的降低而减小,在低温下发生多项次级转变。结合DMA和红外测试分析了交联度、柔性和刚性基团等分子结构对CTE的影响。其次,引入纳米二氧化硅粒子（n-SiO2）以制备具有低线膨胀系数的环氧树脂,探究n-SiO2对EP低温线膨胀行为的影响规律。n-SiO2/EP同EP温度依赖性特征相似,纳米粒子的加入降低了EP的CTE,同时使得转变温度发生正迁移。结合XRD、DSC、DMA和SEM等测试手段分析了纳米粒子对EP线膨胀系数的作用机理。最后,为探究CFRP低温热膨胀行为及材料设计、结构设计对CTE的影响规律,分析了CF体系对CFRP的增强作用,在单向纤维增强复合材料的研究基础上,为降低材料CTE的各向异性并提高抗渗漏性,对CFRP进行铺层设计发现抗渗漏性有所提高,但纤维夹角为90°时仍具有各向异性特征。为了解决铺层设计的局限性,引入n-SiO2制备杂化复合材料发现各向异性特征明显减小,氦泄漏率降低54.7%,结合微脱粘实验及低温断裂SEM对CFRP界面进行表征以分析纳米粒子通过低温界面对杂化复合材料CTE的影响机理。结合CFRP低温线膨胀性和抗渗漏性,给出制备近各向同性且抗渗漏性能较好的微膨胀CFRP的工艺窗口。