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热塑性复合材料与热固性复合材料相比,具有较好的韧性和抗冲击性能,成型周期短、制造成本低、可循环使用、废料可回收、产品可再熔融加工等优点,近年来受到了航空航天工业、船舶制造业、汽车制造业、建筑工业等的高度重视。但是热塑性塑料由于其分子结构的特点,在加热熔融状态下,较高的熔体黏度对树脂的流动产生了阻碍,影响了树脂对纤维的充分浸润,从而限制了热塑性复合材料在大尺寸构件和主承力结构中的应用。环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)的出现改变了这一大难题,CBT是一种具有大环寡聚酯结构的新型树脂,在加热后熔体黏度极低。在适量催化剂和适当温度下,可开环聚合成高分子量的热塑性工程塑料聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT),聚合过程中无反应热、无气体和挥发性有机化合物释放。本文基于CBT树脂的特点,通过原位聚合的方法,对连续纤维增强PCBT复合材料的液体成型制备方法和工艺参数进行了研究,并采用实验和有限元模拟相结合的方法对热塑性复合材料熔融连接件的结构进行设计,研究了接头的承载能力和失效模式。其具体工作如下:1.通过流变测试,分析CBT在聚合过程中熔体黏度的变化趋势,确定在液体成型过程中树脂对纤维的最佳浸润时间;通过差示扫描量热分析、热重分析和力学性能分析,确定CBT的聚合加工温度和催化剂的投放技术,为纤维增强PCBT复合材料的制备工艺提供基础性能参数。2.利用CBT低加工黏度的特性,使CBT在浸渍纤维过程中发生树脂的开环聚合反应,开发可适用于结构复杂的主承力构件生产的热塑性复合材料液体成型技术。以RTM和VARIM工艺为基础,成功制备了高纤维体积分数的GF/PCBT复合材料层合板,研究了催化剂含量和纤维体积分数对层合板力学性能和失效模式的影响。3.PCBT复合材料大型构件的制备要通过连接技术来实现,采用加热使复合材料待连接面内树脂基体发生局部熔融再冷却固结的新型熔融连接技术,制备了凸凹槽对接型GF/PCBT连接件。分别以连接界面层数和连接长度为变量,研究了复合材料接头的承载能力和破坏模式,从而对接头的结构进行设计。4.通过实验研究了 GF/PCBT复合材料的高温力学性能,在高温环境下,GF/PCBT层合板和接头的力学性能随着温度的升高而下降,在PCBT的玻璃化转化温度区域内,复合材料的力学性能下降迅速。在经历高温再冷却后,接头的力学性能几乎不受影响,加热过程的温度低于PCBT的维卡软化温度时,层合板的力学性能也基本为一个定值,高于PCBT软化温度时,由于这个类似于退火的处理使层合板力学强度有小幅度提升。5.使用扩展有限元对复合材料接头的渐近损伤过程进行模拟,采用基于能量的BK准则,选用内聚力单元仿真连接区域的界面失效过程,采用三维HASHIN准则,利用ABAQUS子程度USDFLD仿真纤维和基体的损伤破坏。数值模拟结果与实验结果对比分析,吻合度良好,证明此方法能为GF/PCBT熔融连接接头的结构优化设计提供有效的依据。