木塑复合材料（wood-plastic composite缩写为WPC）是以木质纤维与热塑性聚合物为基本原料,偶联剂、润滑剂等为主要助剂,经挤出、模压、注射成型等加工工艺,生产出的型材或板材。木塑复合材料的力学性能是衡量其品质的重要依据,成为如何高效地生产质优价廉的木塑复合材料的关键科学问题之一。本文以杨木纤维与高密度聚乙烯（HDPE）为主要原料,马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE）为偶联剂,采用熔融挤出法制备了木塑复合材料。选取杨木纤维添加量、偶联剂添加量、挤出温度为自变量,试件的抗冲击强度、弯曲强度、拉伸强度为响应值,利用Box-Behnken方法设计实验并利用响应面法建立木塑材料力学强度的二次多项数学模型,由此确定最佳的实验因素水平及最大响应值。通过对不同添加量的杨木纤维增强复合材料的拉伸应力-应变曲线和纤维长度分布的研究,确定了杨木纤维的尺寸及长径比,采用Hirsch模型、Kelly-Tyson模型和Bowyer-Bader模型对杨木纤维/聚乙烯复合材料的微观力学进行建模,计算得到杨木纤维在聚乙烯基体中的取向系数、界面剪切强度和断裂等效抗拉强度,以及亚临界纤维、超临界纤维、塑料基体对杨木/聚乙烯复合材料拉伸强度贡献的贡献比例。随后,尝试使用微米级杨木纤维、埃洛石纳米管和白炭黑增强杨木纤维/聚乙烯复合材料,并选取增强效果最显著的白炭黑进行改性处理,进一步提高其木塑复合材料的力学性能。本文的主要研究内容及结果如下:（1）利用响应面法设计试验方案并分析实验数据,分别得到复合材料抗冲击强度、弯曲强度、拉伸强度与杨木纤维含量、挤出温度、偶联剂含量关系的回归方程。根据方程可知,木纤维含量是影响木塑复合材料力学性能最显著的因素,抗冲击强度随纤维含量增加而减小,弯曲和拉伸强度则是先增大后减小,存在最大值。综合求解得到最优响应结果:杨木纤维添加量、MAPE添加量、挤出温度的最佳水平为:47.37%、4.23%、173.69℃,此时复合材料的抗冲击强度为4.06 k J/m~2,弯曲强度为43.97 MPa,拉伸强度为28.59 MPa。该预测模型较好地反映了复合材料的力学性能与各因素间的关系,工艺优化结果与实验结果吻合度较高,为木塑挤出加工工艺的优化提供了新的思路。（2）Bowyer-Bader模型作为解析Kelly-Tyson方程的一种方法,在模拟杨木纤维/聚乙烯复合材料拉伸性能体系中被证明是可用的。根据Kelly-Tyson方程确定了杨木纤维与聚乙烯的表观界面剪切强度为5.12±0.99 MPa、杨木纤维断裂等效拉伸强度为105±30 MPa。杨木纤维在复合材料中的空间取向系数为0.6755±0.0545。杨木纤维含量为50%时,计算得到的复合材料表观界面剪切强度和纤维断裂等效拉伸强度最大,实验测得拉伸强度也最大。随着纤维含量的增加,超临界纤维对复合材料抗拉强度的贡献迅速增大。同时,塑料基体的贡献下降,亚临界纤维的贡献增加相对缓慢。（3）微米级杨木纤维与埃洛石纳米管对木塑复合材料的增强效果较弱,白炭黑则能显著增强复合材料。添加7%白炭黑可使复合材料的力学性能达到最优:弯曲强度为54.07 MPa,拉伸强度为38.01 MPa,抗冲击强度为5.20 k J/m~2,对比未添加白炭黑的空白对照组分别增强了30.5%、32.2%、20.8%。使用乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂（VTS）接枝改性白炭黑,使其制备的木塑复合材料的上述力学性能进一步增强了8.7%、15.1%和18.0%,并提高了木塑的耐热性,使木塑制品在较高温度的环境中仍可保持较高强度。