2023年，美国国家航空航天局NASA针对全球最先进的T1100型碳纤维增强复合材料的一系列特性开展了研究，此前公布的数据仅仅限于日本东丽公司官方提供，而其他实际研究中由于无法触及该种材料，因此没有更多的数据。
在本文中，介绍了温度和相对湿度对T1100碳纤维增强3960型环氧树脂基预浸料性能的影响，专题文章分为上、下两篇进行介绍，上篇内容介绍了研究的背景、样品设计及测试内容。
附：NASA有关T1100碳纤维复合材料专题文章
温湿度对T1100预浸料形态结构的影响
下图1光学显微镜照片显示了本研究四个测试组的标称层压板质量。在每个测试组中都可以观察到少量的小孔洞。除此之外，四个测试组的层压板质量都符合航空级碳纤维/环氧预浸料在高压釜固化后的预期。
图1 不同样品的光学显微镜图：(a)基准对照组、(b) RH = 23%试验组、(c) RH = 50%试验组、(d) RH = 70%试验组
表1和图2分别以数据和图形的方式显示了不同温湿度条件下，T1100碳纤维预浸料树脂含量变化，其数据是基于每个测试组至少5个样本的均值。虽然各试验组的树脂含量值略有不同，但每个值都在本研究所考虑的T1100/3960预浸料标称树脂含量（35%）的3.5%以内。该结果加上通过光学显微镜进行的定性对比，并没有表明测试组之间在固化层压板质量方面有任何显著的差异。
图2 预浸料中树脂含量的图形化表示
温湿度对T1100预浸料力学性能的影响
表2和图3显示了不同温湿度条件下T1100/3960预浸料的开孔压缩和短梁剪切试验结果，其数据同样是基于每个测试组至少5个样本的均值。在开孔压缩和短梁剪切强度方面，环境条件试验组的测试结果在基准试验组平均值的5%范围内进行的。为了补充所收集的定量数据，对每个试样进行了失效模式分析，并且在所考虑的试验组中保持一致。
虽然开孔压缩强度可能被认为是由纤维主导的特性，因为失效破坏是由孔附近的应力集中引起的(应力集中的严重程度由层压刚度驱动)，但基体也起着重要作用。与高温湿热环境相比，室温环境下的开孔压缩测试结果的典型趋势最能证明这一点。由于碳纤维性能在通常考虑的温度和相对湿度范围内不会发生显著变化，因此在高温湿热环境中，开孔压缩强度中通常观察到的失效表明，受温度和相对湿度影响的基体是开孔压缩强度的重要驱动因素。
因此，本研究开展的开孔压缩试验结果表明，在铺层之前将T1100/3960预浸料暴露在高湿度环境中不会对固化层压板的基体性能产生不利影响。这一结论得到了短梁剪切试验结果的支持(考虑到短梁剪切强度主要由基体和纤维-基体界面性能决定)，它们也没有因环境条件而显著下降。
动态力学分析(DMA)
表3和图4显示了不同温湿度条件下T1100/3960预浸料的DMA试验结果，其数据同样是基于每个测试组至少5个样本的均值。
与上述机械性能测试结果中观察到的趋势相类似，本研究四个测试组在玻璃化转变温度方面以相类似的方式进行。环境条件试验组的平均玻璃化转变温度在基准试验组的3%以内。这表明，在铺层前的14天内，在较高的湿度条件下进行环境调节而导致的基体塑化，都不会在显著降低其玻璃化转变温度。
图4 T1100/3960预浸料的DMA测试结果
为了保证实验数据的完整性，图5显示了所考虑的四个测试组中每个测试组的DMA输出。值得注意的是，储能模量值由运行的初始储能模量值归一化。
图5 不同样品的DMA曲线：(a)基准对照组、(b) RH = 23%试验组、(c) RH = 50%试验组、(d) RH = 70%试验组
主要结论
本研究中，在大容量高间隔制造设施（25℃和70%RH）的典型环境条件下对T1100/3960碳纤维/环氧预浸料在铺层和固化之前暴露14天，然后使用T1100/3960预浸料制造一系列复合材料层压板，评估了其物理和机械性能。
主要结论为：T1100/3960碳纤维/预浸料在铺层和固化前的环境条件对复合材料层合板的开孔压缩和短梁剪切等性能没有显著影响；而DMA表明，长时间暴露于较高湿度而发生的任何基体塑化都不会表现为固化T1100/3960层压板玻璃化转变温度的不利变化。
综上所述，这些结果表明，25℃和70%相对湿度是加工T1100/3960预浸料的温湿度合理上限。尽管在制造环境中尽可能保持较低的相对湿度值是可取的，但本研究结果清楚表明，预浸料产品在25℃和高达70%相对湿度条件下暴露14天，不会对固化层压板产生不利影响。