橡胶纳米复合材料优异的力学性能取决于高分子链网络与纳米填料网络的协同效应。然而,受填料网络非平衡、非均匀和多尺度结构特点以及现有研究方法和技术的限制,使得填料在橡胶基体中的多尺度结构和三维空间分布的系统实验数据尚未形成,关于橡胶分子链和填料软硬双网络的协同作用的物理机制尚不清楚,目前只停留在一些唯象的描述上。基于上述研究背景,本论文采用了同步辐射X射线三维纳米成像技术与流变、硫化研究方法相结合的技术手段,以二氧化硅补强硅橡胶体系为模型研究对象,通过选用不同类型的填料和对填料进行表面修饰,构建了三种不同界面作用强度的硅橡胶/二氧化硅(VMQ/SiO2)复合模型体系,提出复合体系中填料聚集体以结合胶为媒介的三维填料网络结构,并研究了填料网络在外场作用下的结构演变行为,获得了纳米填料的结构演变参数与宏观力学性能定量的对应关系,旨在促进和加深对填料增强橡胶微观物理机制的理解。本论文的主要研究结果和结论如下:1)通过改变二氧化硅填料表面的化学性质,得到了具有强的(εpn=-5.2 kT)和弱的(εpn=-0.36 kT)二氧化硅-硅橡胶界面排斥作用的纳米复合材料。发现二氧化硅纳米粒子的加入(< 2 vol%),使具有强界面排斥作用的VMQ/Si02复合体系的粘度出现反常降低现象(降低了约15%),然而具有弱界面排斥作用的VMQ/Si02复合体系并没有发现类似的降粘行为,其粘度变化符合流体动力学补强效应。通过理论计算可知:在具有强硅橡胶-二氧化硅界面排斥作用的复合体系中,二氧化硅颗粒表面硅橡胶分子链的覆盖率约为2%,而在弱界面排斥作用体系中,硅橡胶分子链在填料表面的覆盖率达到100%。上述研究结果表明,强排斥界面作用的复合体系中聚合物分子链在二氧化硅表面低的覆盖率导致聚合物基体和填料间无法进行有效的荷载传输,进而使得体系的粘度和模量降低。2)在内容(1)研究结果的基础上,又分别设计了两种具有界面吸引作用的VMQ/Si02模型研究体系,对比研究了具有界面吸引和排斥作用的VMQ/Si02复合体系的硫化动力学行为。通过定量计算发现相同填料含量(40 phr)的情况下,填料界面吸附的聚合物分子链数量(结合胶含量)越多,对硫化反应的抑制效果越明显,论文提出了二氧化硅填料网络的模型概念:填料聚集体以包覆在其表面的聚合物分子链(结合胶)为媒介相互连接,形成了填料网络结构。解释了填料影响橡胶硫化的动力学机制。3)采用同步辐射X射线三维纳米成像技术直观观察了三维空间相互连通的填料网络并研究了填料网络结构随应变的变化规律。发现拉伸诱导下填料网络和硅橡胶分子链网络发生了相分离。通过定量分析填料网络结构特征参数与宏观力学性能随应变变化的对应关系,证实了复合体系中填料充当了可逆高功能交联点的角色。填料与填料间或者填料与硅橡胶间的可逆结合能够有效地耗散机械能,进而达到增强增韧的效果。本论文的主要创新点:1)通过模型理论计算,揭示了具有排斥界面作用的VMQ/Si02复合体系中填料表面硅橡胶分子链的构象和承担荷载的链段浓度随界面排斥作用力的变化规律。2)发展了同步辐射X射线三维纳米原位成像技术研究二氧化硅填料网络及结构演变行为,直观观察到了二氧化硅填料分子链网络和硅橡胶分子链网络拉伸诱导下的相分离现象,揭示了填料补强硅橡胶的物理机制。