在资源危机和环境问题日益严峻的大背景下,利用力学性能优异、生长快速、环境友好的天然竹材开发高性能结构材料,具有极高的研究价值和实际应用前景。近年来,人们对竹材开展了大量的改性研究,以提高天然竹材的力学和功能特性。但是,目前有关天然竹材的改性研究仍存在很多挑战,例如:竹材独特的形态结构对其细观力学和宏观力学性能的影响规律尚不清晰;竹纤维的强度和弹性模量与玻纤媲美,但是现有竹纤维增强树脂基复合材料的力学性能较差;竹材易吸水、易燃、不透光,亟需在提高其机械性能的同时,改善其功能特性。针对上述问题,本文首先通过有限元和实验的方法探索了竹材微观结构对其力学性能的影响,提出了通过化学处理结合物理热压提高竹材力学性能的可行性,然后将化学改性与物理改性相结合,开发出系列结构型竹材复合材料,在显著改善其力学性能的同时,大幅度提高竹材的环境稳定性、阻燃性和透明性等功能特性。主要的研究内容及结论如下:（1）基于天然竹材维管束-薄壁细胞（Vascular bundles-Cells,VC）结构的弹性性能有限元分析。根据VC的微观形貌,利用ABAQUS构建了竹材从内到外4层VC结构的代表性体积单元有限元模型（Representative volume elements,RVE）,进而对天然竹材的弹性性质进行了预测,并且通过Mori-Tanaka细观力学模型对每层的弹性性质进行了理论计算;与此同时,提出了通过化学去木质素结合物理密实化提高竹材结构性能的策略,建立了密实化竹材和密实化去木质素竹材的VC-RVE模型,并求解其弹性常数。结果表明,两种模型得到的轴向弹性模量较为接近,但是在径向和弦向上差异性较大,通过VC-RVE模型求解的泊松比和剪切模量更接近于竹材的真实情况,能够更好的反应竹材在径向和弦向上的各向异性。此外,将天然竹材、密实化竹材和密实化去木质素竹材近似为由4层单向层合板构成的复合材料,通过构建相应的层合板有限元模型,求解了竹材的弹性模量。结果发现:层合板模型得到的天然竹材拉伸模量和弯曲模量与实验值相吻合;相比于天然竹材,密实化天然竹材和密实化去木质素竹材的拉伸模量和弯曲模量显著提高。（2）基于“自上而下”的策略制备高性能竹材/环氧树脂复合材料。利用化学法去除天然竹材中的木质素和半纤维素,再冷冻干燥,浸入环氧树脂,经热压密实化处理,环氧树脂原位固化后即可得竹材/环氧树脂复合材料,即“竹钢”。利用该方法制备的竹材/环氧树脂复合材料具有优异的力学性能,其抗拉强度高达407.6 MPa,抗弯强度达到创纪录的513.8 MPa,韧性高达14.08 MJ/m~3,相比于天然竹材分别提高了360%、290%和380%。值得一提的是,其比强度高达302 MPa g-1 cm~3。竹材/环氧树脂复合材料优异的机械性能主要源于竹材骨架结构得以完整保留及较高的竹纤维体积分数,与此同时环氧树脂与纤维素分子间存在化学交联和氢键结合,也有助于竹纤维界面结合性能的改善。（3）高强超疏水型二氧化硅（SiO2）@氧化石墨烯（GO）/竹材复合材料。首先通过化学法去除天然竹材中的木质素,然后浸渍GO、喷涂SiO2疏水层,最后经密实化处理,制备了由GO/竹材芯层和SiO2壳层组成的SiO2@GO/竹材复合材料。研究显示,GO/竹材复合材料的拉伸强度、弯曲强度和韧性分别为428.4 MPa、641.6MPa和17.5 MJ/m~3,与天然竹材相比分别提高了480%、250%和360%,这表明在竹材中引入GO,可显著提高其力学性能。此外,GO/竹材复合材料的密度仅为1.25g/cm~3,其比强度高达513.3 MPa g-1 cm~3。GO/竹材复合材料之所以具有优异的力学性能,主要得益于竹材骨架结构的完好保存及竹纤维与GO纳米片之间的强氢键作用。在GO/竹材复合材料表面引入由疏水性SiO2纳米颗粒构筑的多尺度涂层后,复合材料的耐水性显著提高,静态水接触角和动态水接触角分别为156°和5°,在95%湿度下处理1周或者在水中浸泡1周,其厚度膨胀率较低,强度保持率高达90%。此外,SiO2@GO/竹材复合材料具有优异的尺寸稳定性,其热膨胀系数仅为2.3×10-6K-1。（4）高强阻燃型六方氮化硼（BN）/GO@竹材复合材料。BN具有优异的阻燃性能,但难以在竹材表面形成牢固的粘接层,由于GO与竹纤维素具有强氢键作用,可显著改善BN在竹材表面的附着能力。本部分通过在去木质素竹材表面构筑BN/GO纳米复合涂层,结合高压密实化处理,得到一种兼具高强度和优异阻燃性能的竹材基复合材料。与天然竹材相比,BN/GO@竹材复合材料的轴向拉伸强度、弯曲强度和径向压缩强度分别提高了130%、101%和781%;与此同时,BN/GO@竹材的点火时间延长了67%,最大热释放速率和总的热释放量分别降低了59%和40%,烟释放速率、总的发烟量及质量损失速率均明显下降,表明BN/GO涂层具有优异的阻燃效果。微观结构表征显示BN/GO片层与竹材表面平行,其面内热导率明显高于面外,有限元分析表明BN/GO@竹材暴露于热源时,热量可以沿表面进行耗散,温度分布均匀,不会出现局部温度过高的现象。因此,BN/GO纳米复合涂层具有优异的热阻隔性能,为竹材提供了很好的物理屏障,从而提高了竹材的阻燃性能。（5）基于木质素改性和环氧树脂浸渍工艺的透明竹材/环氧复合材料。首先,在碱性环境下,利用碱性H2O2溶液对竹材进行木质素改性,选择性地去除木质素的发色基团,得到结构完整的白色竹材,然后利用环氧树脂浸渍竹材,得到透明型竹材/环氧复合材料。研究显示,该透明竹材复合材料在可见光范围内的透光率高达87%,拉伸强度高达118 MPa。与传统玻璃相比,透明竹材复合材料的综合性能更加优异:（1）雾度高达90%,这有助于室内光线的均匀分布;（2）韧性高达4.5MJ/m~3,破碎时所吸收能量大,具有更高的安全性;（3）密度仅为1.2 g/cm~3,有利于结构的轻量化;（4）热导率低至0.33 W/m K,仅为传统玻璃的三分之一,有利于建筑保温和节能。综上所述,本论文基于VC-RVE模型对竹材的力学性能进行了分析,并验证了通过密实化提升竹材力学性能的理论可行性;然后采用化学法去除竹材内部的硬质木质素以提高竹材的可压缩性,再浸入环氧树脂或者氧化石墨烯改善竹纤维之间的界面,继而大幅度提高了竹材的力学性能;此外,通过在竹材表面构筑超疏水SiO2纳米涂层和BN/GO纳米复合涂层,改善了竹材的环境稳定性和阻燃性;最后利用碱性H2O2溶液去除了竹材木质素的发色基团,再浸入环氧树脂得到了透明竹材。本研究对竹材的结构和功能化改性提供了新的策略,为开发新一代竹材结构材料奠定了较好的理论和实践基础。