玄武岩纤维(BF)具有优异的力学性能、耐水性、耐候性以及耐腐蚀性等,广泛应用于建筑、道路交通、桥梁等领域。但BF用于增强植物纤维制备复合材料领域还鲜有见闻,因此,研究这种新型BF与植物纤维混杂制备复合材料具有一定创造性。本文采用不饱和聚酯(UP)作为基体、亚麻纤维、BF作为增强体,利用热压成型工艺分别制备亚麻纤维/UP复合材料和BF/亚麻纤维布增强UP复合材料。本论文通过化学改性、引入无机纤维和等离子体表面改性等多种增强途径来提高亚麻纤维/UP复合材料的力学性能。首先通过碱液和硅烷偶联剂G-570共同处理亚麻纤维,改性后复合材料的弯曲和拉伸性能提高,但冲击性能下降。其次,引入玄武岩纤维布增强亚麻纤维布/UP复合材料,深入研究了玄武岩纤维含量变化对混杂复合材料的力学性能、耐候性、吸水性等性能的影响,并对混杂复合材料的老化降解机理进行探讨。采用等离子体对纤维表面改性并分析其对混杂复合材料的力学性能影响;利用动态热机械分析仪(DMA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对混杂复合材料的热力学性能、纤维表面基团、成分以及断面形貌等进行分析,研究结果如下:(1)碱溶液浓度(0%～11%)和质量分数2%G-570改性处理后的复合材料,其拉伸和弯曲性能提高,而冲击性能下降。其中碱溶液浓度3%和2%G-570共同处理后复合材料的拉伸和弯曲强度最高,并且比未改性处理的复合材料相比分别提高了 36.7%和48.5%。DMA测试结果表明,碱浓度为3%和G-570为2%的复合材料储存模量最大,改性后复合材料的刚性增强,脆性增大,因此改性后复合材料冲击韧性下降。玻璃化转变温度(Tg)与未改性复合材料相比提高了 15.2℃,说明改性后复合材料的热力学性能得到了提高。SEM结果表明,改性后的复合材料纤维与UP基体结合更好,并且大部分纤维被拔断;而未改性的复合材料中,大部分纤维脱胶,空隙较多。化学键结合机理表明亚麻纤维与UP利用G-570形成的共价键使聚合物的主链增长,支增链加,从而提高了复合材料的力学性能和热稳定性。(2)利用“三明治”和层间交错等混杂设计方式进行铺层设计,以玄武岩纤维布和亚麻纤维布增强不饱和聚酯(BF/FF/UP)复合材料为研究对象,并对该混杂复合材料的各项性能进行分析。结果表明,表层为玄武岩纤维布和芯层为亚麻纤维布增强复合材料的整体力学性能较佳,确定该混杂设计方式来进行制备复合材料。随BF含量的增加,BF/FF/UP的理论密度降低,实际密度增大;同时BF/FF/UP的弯曲性能和冲击韧性也得到增强,其中B3的弯曲强度、弯曲模量和冲击韧性分别比B1高40.7%、64.5%和39.4%。两种纤维的混杂质量比对水分子的扩散行为影响显著,随BF含量的增加,混杂复合材料的吸水率显著降低并且不符合Fickian扩散。DMA测试结果表明,混杂复合材料的E’随BF含量增加而增大,其中B3的E’比UP提高了 75.5%。E"、Tg、tanδ值和Ea的结果表明,BF含量越高,E"、Tg和Ea会逐渐增大,而tanδ值降低;说明混杂复合材料中表面能与增强体强度和含量有关;同时B3中纤维与基体UP的界面结合比B1和B2更好。SEM结果表明,亚麻纤维与基体的缝隙较大,BF与基体UP的界面结合更好。(3)研究了玄武岩纤维布增强亚麻纤维布/UP复合材料的耐候性,结果表明,随老化时间的增加,B1、B2和B3的弯曲强度和冲击韧性先增大后降低;其中B1、B2和B3的弯曲强度和冲击韧性的最大值与最小值相比分别下降了 37.5%、41.9%、43%和33.2%、33.3%、46.8%。由单因素方差分析可知,表层的玄武岩纤维含量对混杂复合材料(BF/FF/UP)老化性能影响并不显著,而紫外照射时间对BF/FF/UP的弯曲强度影响显著。最小显著差数法(LSD)的结果表明600 h对各个时间段都有显著影响,这与方差分析的结果一致。DMA结果表明,随老化时间增加,B3的E’先增加后降低,可能是未完全固化的树脂在紫外光照射下,会继续交联固化同时部分树脂也会发生降解。老化360 h后,BF/FF/UP的tanδ峰值增大,表明纤维与基体UP的界面结合强度下降,可能是由于UP降解导致界面产生裂纹并不断扩展,从而影响混杂复合材料的力学性能。UP的紫外光降解机理表明,主链产生断裂并有可能产生产生酯基、自由基以及小分子化合物如CO、CO2等。FTIR测试结果表明,老化后混杂复合材料的羰基和酯基减弱以及苯环骨架振动峰消失,UP的特征峰明显减弱;而XPS数据表明O元素相对含量减少,O-C=O和C-O键相对含量增加;以上结果与降解机理分析的结果一致。老化时间对BF/FF/UP的吸水性能影响显著。与未老化混杂复合材料相比,600 h后B1、B2和B3的吸水率分别增加了 39.1%、44.9%和50.3%。可能是基体UP的降解导致界面的破坏,导致亚麻纤维吸水性能提高;纤维表面含有的氢键会进一步加剧亚麻纤维与基体UP的界面破坏,产生更多空隙。通过SEM观察,老化后亚麻纤维与基体的界面结合较差,基体出现裂纹;亚麻纤维脱胶,空隙较多,说明水分对界面破坏有影响。(4)利用低温氧等离子体分别对玄武岩纤维布和亚麻纤维布进行改性处理,然后制备玄武岩纤维布/亚麻纤维布(BF/FF)、等离子体处理玄武岩纤维布/亚麻纤维布(PBF/FF)、等离子体处理玄武岩纤维和亚麻纤维布(PBF/PFF)和玄武岩纤维布/等离子体处理亚麻纤维布(BF/PFF)四种混杂复合材料。结果表明,氧等离子体对两种纤维处理后,纤维表面出现凹凸不平的刻蚀;利用SEM和XPS分别对氧等离子体处理后的亚麻纤维和玄武岩纤维进行分析,结果表明,亚麻纤维表面会产生四种含氧的基团分别为-C-OH、-C-O、-COOH和-COO-,而玄武岩纤维的晶体结构发生变化,产生[SiO4]4-四面体结构、[Si2O5]2-层状结构和[Si2O6]4-链状结构。PBF/FF、PBF/PFF和BF/PFF的弯曲和冲击性能能提高明显,BF/PFF的弯曲强度比未处理的BF/FF要高40.5%,PBF/PFF或BF/PFF的冲击韧性比BF/FF的冲击韧性高116%。表明等离子体能有效的改善纤维与基体的界面,提高了混杂复合材料的弯曲和冲击强度。SEM观察发现,改性后的纤维比未处理的纤维与基体UP界面结合得更好。DMA试验结果表明,混杂复合材料PBF/PFF的E’最高并且比BF/FF的E’高21.3%,说明低温氧等离子处理提高了混杂复合材料的刚性;PBF/FF、PBF/PFF和BF/PFF损耗因子峰值比BF/FF低,表明等离子体处理后的纤维与基体界面结合更好,此结果与前面分析的结果一致。