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玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维是用于增强树脂基复合材料的三种典型矿物纤维，其综合性能优异，在航空航天、汽车、化工、机械制造及医学等领域有着广泛应用。由于矿物纤维表面存在惰性，与树脂基体的浸润性差、粘结强度低，限制了其复合材料整体性能的发挥。因此对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行改性，提高其表面性能，能扩宽其应用范围，具有重要的理论和实际意义。
本文采用高能激光束对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行表面改性，并分别制备三种纤维/环氧树脂复合材料。利用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射、EDS能谱、X射线光电子能谱等手段，表征改性前后三种矿物纤维的微观形态、力学性能、物相结构、化学成分、浸润性能及其纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能，系统研究了激光对纤维的微观组织变化、性能变化等影响规律，探索了激光改性矿物纤维的作用机理。
研究结果表明，激光表面改性纤维以物理改性为主。激光对于玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维表面形貌“一级结构”的影响主要表现为，改性后三种纤维表面缺陷发生了变化。随着激光改性功率的增加，玻璃纤维、玄武岩纤维表面缺陷深度和面积增加；碳纤维表面由沟槽结构变成孔洞结构。激光对玻璃纤维表面形貌“二级结构”的影响主要表现为，当激光改性功率由0W提高至60W时，表面缺陷最大深度值由10nm增加至50nm，表面缺陷占比例大的范围由5～8nm增加至18～33nm，表面粗糙度(Rq)由1.91nm增加至8.10nm。激光对玄武岩纤维表面形貌“二级结构”的影响表现为，当改性功率由0W提高至120W时，表面缺陷最大深度值由9nm增加至180nm，表面缺陷占比例大的范围由3.5～6.5nm增加至90～120nm，表面粗糙度(Rq)由1.41nm增加至24.7nm。激光对碳纤维表面形貌“二级结构”的影响分为两个阶段：第一个阶段，当改性功率由0W提高至210W时，表面缺陷最大深度值由50nm降低至7nm，表面缺陷占比例大的范围由25～35nm降低至3～5nm，表面粗糙度(Rq)由5.52nm降低至1.26nm；第二个阶段，当改性功率由210W提高至240W时，表面缺陷最大深度值由7nm增加至200nm，表面缺陷占比例大的范围由3～5nm增加至125～175nm，表面粗糙度(Rq)由1.26nm增加至42.8nm。
激光改性后，玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维单丝拉伸性能降低，拉伸强度符合Weibull分布。随着玻璃纤维和玄武岩纤维表面缺陷深度的增加，两种纤维的拉伸强度降低；随着改性功率的增加，两种纤维的表面缺陷深度增加。由于激光对于纤维的辐射作用具有特殊性，玻璃纤维和玄武岩纤维的表面缺陷深度a与拉伸强度的关系不符合经典理论。激光改性前后，三种纤维的XRD衍射峰形无改变，但改性碳纤维的微晶尺寸减小。激光改性没有改变三种纤维的表面化学组成元素的种类，改性后纤维表面氧元素含量随着改性功率增加而增大，激光表面改性以化学改性为辅。激光改性功率越大，三种纤维与环氧树脂的接触角越小，在扫描速率10mm·s-1、改性功率50W条件下，玻璃纤维与环氧树脂接触角由72.085o下降至54.056o。在扫描速率10mm·s-1、改性功率90W条件下，玄武岩纤维与环氧树脂接触角由68.82o下降至55.012o。在扫描速率10mm·s-1、改性功率180W条件下，碳纤维与环氧树脂接触角由65.973o下降至50.832o。
激光改性使三种纤维增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度和冲击强度有所改善。当玻璃纤维添加量为0.7%、改性功率为30W时，其复合材料拉伸强度达到峰值，为58.71MPa，比改性前提高了17.68%。当玻璃纤维添加量为0.7%，改性功率为60W时，其复合材料冲击强度达到峰值，为38.7KJ·m-2，比改性前提高了54.8%。当玄武岩纤维添加量为4%，激光改性功率为90W时，其复合材料的拉伸强度达到峰值，为78.23MPa，比改性前提高了15.2%；冲击强度达到峰值，为36.7KJ·m-2，比改性前提高了31.5%。当碳纤维添加量为0.3%，激光改性功率为150W时，其复合材料拉伸强度达到峰值，为97.72MPa，比改性前提高了59%；冲击强度达到峰值，为49.4KJ·m-2，比改性前提高了52%。
本文采用高能激光束对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行表面改性，并分别制备三种纤维/环氧树脂复合材料。利用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射、EDS能谱、X射线光电子能谱等手段，表征改性前后三种矿物纤维的微观形态、力学性能、物相结构、化学成分、浸润性能及其纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能，系统研究了激光对纤维的微观组织变化、性能变化等影响规律，探索了激光改性矿物纤维的作用机理。
研究结果表明，激光表面改性纤维以物理改性为主。激光对于玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维表面形貌“一级结构”的影响主要表现为，改性后三种纤维表面缺陷发生了变化。随着激光改性功率的增加，玻璃纤维、玄武岩纤维表面缺陷深度和面积增加；碳纤维表面由沟槽结构变成孔洞结构。激光对玻璃纤维表面形貌“二级结构”的影响主要表现为，当激光改性功率由0W提高至60W时，表面缺陷最大深度值由10nm增加至50nm，表面缺陷占比例大的范围由5～8nm增加至18～33nm，表面粗糙度(Rq)由1.91nm增加至8.10nm。激光对玄武岩纤维表面形貌“二级结构”的影响表现为，当改性功率由0W提高至120W时，表面缺陷最大深度值由9nm增加至180nm，表面缺陷占比例大的范围由3.5～6.5nm增加至90～120nm，表面粗糙度(Rq)由1.41nm增加至24.7nm。激光对碳纤维表面形貌“二级结构”的影响分为两个阶段：第一个阶段，当改性功率由0W提高至210W时，表面缺陷最大深度值由50nm降低至7nm，表面缺陷占比例大的范围由25～35nm降低至3～5nm，表面粗糙度(Rq)由5.52nm降低至1.26nm；第二个阶段，当改性功率由210W提高至240W时，表面缺陷最大深度值由7nm增加至200nm，表面缺陷占比例大的范围由3～5nm增加至125～175nm，表面粗糙度(Rq)由1.26nm增加至42.8nm。
激光改性后，玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维单丝拉伸性能降低，拉伸强度符合Weibull分布。随着玻璃纤维和玄武岩纤维表面缺陷深度的增加，两种纤维的拉伸强度降低；随着改性功率的增加，两种纤维的表面缺陷深度增加。由于激光对于纤维的辐射作用具有特殊性，玻璃纤维和玄武岩纤维的表面缺陷深度a与拉伸强度的关系不符合经典理论。激光改性前后，三种纤维的XRD衍射峰形无改变，但改性碳纤维的微晶尺寸减小。激光改性没有改变三种纤维的表面化学组成元素的种类，改性后纤维表面氧元素含量随着改性功率增加而增大，激光表面改性以化学改性为辅。激光改性功率越大，三种纤维与环氧树脂的接触角越小，在扫描速率10mm·s-1、改性功率50W条件下，玻璃纤维与环氧树脂接触角由72.085o下降至54.056o。在扫描速率10mm·s-1、改性功率90W条件下，玄武岩纤维与环氧树脂接触角由68.82o下降至55.012o。在扫描速率10mm·s-1、改性功率180W条件下，碳纤维与环氧树脂接触角由65.973o下降至50.832o。
激光改性使三种纤维增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度和冲击强度有所改善。当玻璃纤维添加量为0.7%、改性功率为30W时，其复合材料拉伸强度达到峰值，为58.71MPa，比改性前提高了17.68%。当玻璃纤维添加量为0.7%，改性功率为60W时，其复合材料冲击强度达到峰值，为38.7KJ·m-2，比改性前提高了54.8%。当玄武岩纤维添加量为4%，激光改性功率为90W时，其复合材料的拉伸强度达到峰值，为78.23MPa，比改性前提高了15.2%；冲击强度达到峰值，为36.7KJ·m-2，比改性前提高了31.5%。当碳纤维添加量为0.3%，激光改性功率为150W时，其复合材料拉伸强度达到峰值，为97.72MPa，比改性前提高了59%；冲击强度达到峰值，为49.4KJ·m-2，比改性前提高了52%。