鉴于未来先进运载火箭的减重要求,使用复合材料推进剂贮箱已成为轻型航天器的主要发展方向,与金属贮箱相比复合材料低温贮箱可减轻20%-40%的重量,可大幅降低发射成本,提高发射效率。但是由于碳纤维与基体二者的热膨胀系数相差很大,在超低温环境中可能会造成基体应力集中在贮箱缠绕层产生微裂纹,进而发生渗漏。针对此类问题,本文采用分子模拟、试验测试和有限元分析结合的方式讨论了环氧树脂（EP）低温线膨胀系数演变机理、制备了具有更低线膨胀系数的EP体系、分析了热力耦合条件下碳纤维/环氧复合材料贮箱的细观力学响应,以期为复合材料贮箱的制备提供支持。首先,从微观角度揭示了环氧树脂线膨胀系数的演变机制,基于分子动力学方法,分别构建了E-51和TDE-85两种环氧树脂的交联网络分子模型以及掺杂纳米二氧化硅（n-SiO2）的模型,计算了各个模型的玻璃化转变温度以及在0℃～-269℃温度范围内的自由体积分数、均方位移、平均线膨胀系数等热力学量,并研究了不同模型热力学量的异同。其次,测试了环氧树脂体系在0℃～-196℃温度范围内的线膨胀系数（CTE）,并结合分子模拟的结果进行了讨论分析。EP的CTE随温度降低呈现减小的趋势,且在某些温度点出现异常增大点,热性能和自由体积测试结果表明在低温下EP产生次级转变,链段运动逐步冻结,TDE-85具有更刚性的结构,更低的线膨胀系数。加入偶联剂处理过的n-SiO2后,EP体系的CTE明显减小,分子链的内耗增大,结合分子模拟和正电子湮灭测试结果分析了n-SiO2降低CTE的机制。最后,基于线膨胀系数的测试结果,对碳纤维/环氧复合材料贮箱在热力耦合条件下细观力学响应进行了有限元分析。通过对低温环境下TDE-85杨氏模量实验结果的拟合预测了其变化趋势,并利用稀疏方法预测了低温环境下n-SiO2/TDE-85体系（STDE-85）杨氏模量的演变趋势。基于环氧树脂和碳纤维低温性能参数,构建了纤维四方排列的代表性体积单元（RVE）和六角排列的RVE,利用细观力学有限元方法预测了复合材料在低温下的工程弹性常数,并且讨论了复合材料性能对温度的敏感性。构建了复合材料贮箱模型,利用叠加方法计算了模拟工况下纤维的最大正应力和树脂的等效Mises应力,结果发现,CF/STDE-85树脂基体的Mises等效应力相较于CF/TDE-85贮箱有所降低,最大降低了6.5%,说明CF/STDE-85能够承受更大的热力耦合载荷,认为能够有效防止由于组份材料热膨胀系数不匹配造成的微裂纹。