玄武岩纤维使用纯天然火山岩矿石制造,是将原料充分破碎后,放入1400℃-1500℃高温中熔融拉丝制成的新型矿物纤维。玄武岩纤维具有较高的强度和模量、加工简单、成本低、优异的耐温性和耐腐蚀性,以及突出的化学稳定性、抗紫外线和高能电磁辐射及良好的阻燃性,被认为是一种绿色的工业材料,是生产先进复合材料的理想选择。尽管玄武岩纤维的组成与玻璃纤维相似,但玄武岩纤维的性能远远优于E型玻璃纤维。玄武岩纤维表面光滑,与基体的相互作用较弱、界面结合强度较低,受到较大外载荷作用时易拔出、断裂及脱粘,另外热辐射系数高、电阻率大、耐磨性差,一定程度上影响玄武岩纤维的应用。为满足应用性能要求,需要进行改性处理来提高界面粘结强度和实现多功能性。将纳米尺度的碳纳米管加入到玄武岩纤维/乙烯基酯树脂复合材料体系,通过复合效应、多尺度效应及界面效应等显著改善界面性能,并可提高材料的热性能、电学性能及耐磨性,实现玄武岩纤维增强多尺度复合材料的高性能化及多功能化,符合当前先进复合材料发展的趋势。本文首先对碳纳米管进行功能化处理,然后将其引入到复合材料中。主要在玄武岩纤维的表面和乙烯基酯树脂基体中加入羧基化碳纳米管和偶联剂改性碳纳米管。当将碳纳米管接枝到微米尺度的玄武岩纤维表面时,多尺度增强体带有反应性较强的碳纳米管活性点、表面粗糙度增大。在界面粗糙度增加以后更有利于聚合物分子和玄武岩纤维表面的接触,提升玄武岩纤维的表面能,改善其与树脂间的浸润性,增加纤维表面附近的树脂交联程度,在玄武岩纤维和基体之间构建出一种梯度的界面,帮助界面区应力的分散。在玄武岩纤维的基体中加入的碳纳米管能够与聚合物形成类似于机械齿的锲合形态,一定程度上限制玄武岩纤维表面树脂分子的运动,使得界面区域对裂纹起到了阻碍的作用。主要研究内容如下:首先将羧化碳纳米管COOH-MCNTs、偶联剂改性羧化碳纳米管KH550-MWCNTs、KH570-MWCNTs分别与乙醇/水溶液配制成含碳纳米管成分的上浆剂,涂覆到玄武岩纤维原丝及纤维布表面。对其表面的物理化学性能进行检测,基于扫描电镜、X-射线光电子能谱、接触角等方法测试了上浆后玄武岩纤维表面性能。对玄武岩纤维原丝增强棒状复合材料进行了界面剪切强度、弯曲强度、冲击强度、热性能测试;对VARTM成型复合材料弯曲强度、冲击强度、Ⅱ型层间断裂韧性、层间剪切强度、电性能、热性能和摩擦磨损性能检测分析,且进行了断口的SEM形貌研究。结果表明,拉挤成型碳纳米管接枝玄武岩纤维多尺度复合材料中由于不同种类的碳纳米管的加入,界面剪切强度、拉伸强度、弯曲强度、冲击强度得到了较大的提高,在KH550-MWCNTs涂层三次时得到最高值,分别提高了101%、18.3%、25.7%、45%。复合材料的热稳定性提高,高温时残碳率较高;热膨胀系数降低,KH550-MWCNTs/BF/VE复合材料在低于玻璃化转变温度下热膨胀系数降低了66.7%,高于玻璃化转变温度时热膨胀系数降低了13.6%。另外将COOH-MWCNTs和KH570-MWCNTs掺杂加入到BF/VE复合材料中,基体中加入COOH-MWCNTs,弯曲强度提高了25.1%,冲击强度提高了27.4%,而KH570-MWCNTs体系的弯曲强度提高了28.4%,冲击强度提高了42.5%。对玄武岩纤维布及碳纳米管改性多尺度增强体形貌、表面元素及官能团分析,表明玄武岩纤维布经过碳纳米管表面处理后,有机活性基团数量增加;采用VARTM工艺成型碳纳米管接枝多尺度复合材料,复合材料的弯曲强度、冲击强度、II型层间断裂韧、层间剪切强度都得到了较大程度的增加,玻璃化转变温度最高增大4.4℃、正切损耗角减小,高温热稳定性增强,电阻率降低8-10个数量级,摩擦性能得到很大改善,KH550H-MWCNTs含量为0.1%时,多尺度复合材料体系耐摩擦磨损性能最佳。