研制重型运载火箭和可重复使用运载火箭,有助于人类空间活动的顺利开展和空间资源的合理开发利用,是我国航天事业发展的重要基础。发展复合材料低温燃料贮箱,是运载火箭整体结构减重、提升运载能力的有效途径。但是低温燃料贮箱的工作条件极为苛刻,复合材料需经受冷热循环载荷的作用而不发生结构失效,以确保运载火箭的正常运行或回收利用。此外,由于碳纤维与树脂基体的热膨胀系数存在明显差异,复合材料在冷热循环的作用下易产生裂纹,进而导致结构失效。针对上述问题,本文以单向及正交碳纤维/环氧树脂复合材料为研究对象,设计了5种冷热循环处理方式,包括长短周期的结合及含水浴处理的加速老化,对复合材料在冷热循环后的性能变化以及内部微裂纹的萌生和扩展情况进行系统研究,为碳纤维/环氧树脂复合材料在低温燃料贮箱上的应用奠定基础。具体研究内容与主要结论如下:基于环氧树脂体系的差热分析和粘度分析,确定了复合材料的热压罐成型工艺参数,并先后采用热熔法、热压罐成型工艺制备了满足使用要求的预浸料、单向及正交碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。以单向碳纤维/环氧树脂复合材料的90°拉伸试样为研究对象,采用4种循环方式对其进行冷热循环处理。经循环方式Ⅰ与循环方式Ⅲ处理后,复合材料的损伤主要为纤维与基体间的界面裂纹,及由界面裂纹引发的基体裂纹损伤;经循环方式Ⅱ与循环方式Ⅳ处理后,复合材料的损伤以孔洞损伤为主,少量基体裂纹损伤为辅。此外,经所有循环方式处理后,复合材料的90°拉伸强度均随循环次数的增加而下降,与未经循环处理相比,经循环方式Ⅰ～Ⅳ处理后,复合材料90°拉伸强度的最终降幅依次为20.3%、22.8%、14.5%、26.1%。以单向及正交碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切试样为研究对象,采用5种循环方式对其进行冷热循环处理。结果表明,单向复合材料出现了界面裂纹、界面脱粘、间隙、基体裂纹、孔洞等损伤形式,正交复合材料除发生上述损伤外,还出现了分层损伤。此外,经循环方式Ⅰ～Ⅴ处理后,冷热循环产生的热应力或树脂吸湿溶胀产生的剪应力占主导地位,导致复合材料的ILSS随着循环次数的增加而不断下降。与未经循环处理相比,经循环方式Ⅰ～Ⅴ处理后,单向复合材料ILSS的最终降幅依次为4.9%、13.2%、5.1%、12.8%、5.6%;正交复合材料ILSS的最终降幅依次为17.1%、18.1%、17.3%、17.9%、17.6%。