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橡胶材料因常温下具有高弹性而广泛应用于轮胎、管带和密封胶等工业制品。通过引入无机纳米粒子制备橡胶纳米复合材料可赋予其更多优异的性能,例如:良好的力学性能、导电性、导热性、阻燃性和磁性等。对橡胶纳米复合材料而言,无机纳米粒子和橡胶之间的界面相互作用取决于橡胶大分子和无机纳米粒子的物理化学性质,其通过影响界面区域的性能(厚度及纳米力学等),进而影响无机纳米粒子的分散、应力的传递、分子链取向等,最终影响复合材料的宏观性能。因此,界面区域性能与橡胶大分子和无机纳米粒子的物理化学性质紧密相关。很多研究指出在界面区域,随着与无机纳米粒子表面距离的不同,界面各处的链堆积密度及分子链构象等也不相同,因此对界面区域的定量表征是一个关键的问题。本课题借助原子力显微镜的峰值力定量纳米力学模式(AFM-QNM)并结合Johnson-Kendall-Robert(JKR)模型拟合验证,对碳纳米管/橡胶复合材料的界面性能进行了定量表征,包括界面纳米力学性能和界面厚度。进一步在此基础上探究了碳纳米管的比表面积和橡胶大分子的极性对碳纳米管/橡胶复合材料的界面性能的影响。本研究为弹性体基体和纳米填料的物理化学性质对复合材料的界面相互作用和增强机理提供了新的观点,为高性能的无机纳米填料/橡胶复合材料的设计和制备提供了理论基础。本文的主要研究内容如下:(1)利用AFM-QNM建立了定量表征碳纳米管/橡胶复合材料的界面纳米力学性能和界面厚度的方法。首先,通过“划线法”并结合JKR模型计算碳纳米管/橡胶复合材料的杨氏模量值,得到界面区域的杨氏模量值与位移的关系曲线,从而分析复合材料的界面区域的纳米力学性能。进而通过JKR模型拟合验证了 AFM-QNM定量表征碳纳米管/橡胶复合材料的界面性能的合理性。在此基础上,利用“划线法”在模量图中得到界面区域的模量-位移曲线,根据界面区域的杨氏模量值的梯度变化来统计碳纳米管/橡胶复合材料的界面厚度。(2)基于上述建立的AFM-QNM定量表征碳纳米管/橡胶复合材料的界面性能的方法,进一步研究了碳纳米管的比表面积对碳纳米管/溶聚丁苯橡胶(CNT/SSBR)复合材料的界面纳米力学性能和界面厚度的影响。结果表明随着碳纳米管的比表面积由40m2/g增大到350 m2/g,其对应的CNT/SSBR纳米复合材料的界面区域的模量值范围由11.4～34.9 MPa变化到11.7～59.7MPa,其对应的界面区域的平均模量值由20.1±0.8 MPa增强到31.8±0.9 MPa,其对应的界面厚度由7.4±3.1 nm增大到13.8±3.3 nm。以上结果表明,随着碳纳米管的比表面积的增大,CNT/SSBR纳米复合材料的界面纳米力学性能在逐渐增强,界面厚度也在逐渐增大。此外,利用差示扫描量热法(DSC)表征了 CNT/SSBR纳米复合材料的界面处橡胶分子链段动力学,表明复合材料界面层被束缚的分子链含量随CNT的比表面积的增大而增大,即界面相互作用增强,与AFM结果一致。(3)基于上述建立的AFM-QNM定量表征碳纳米管/橡胶复合材料的界面性能的方法,进一步研究了橡胶大分子的极性对碳纳米管/氢化丁腈橡胶(CNT/HNBR)复合材料的界面纳米力学性能和界面厚度的影响。结果发现随着HNBR中丙烯腈含量由19wt%增加到44wt%,即随HNBR的极性增强,其对应的CNT/HNBR纳米复合材料的界面区域的模量值范围由6.1～25.8 MPa变化到12.2～78.5 MPa,其对应的界面区域的平均模量值由14.8±0.2 MPa增强到40.0±0.4 MPa,其对应的界面厚度由9.3±1.6 nm增大到16.4±2.3 nm。这些结果表明,随着HNBR极性的增大,其对应的CNT/HNBR纳米复合材料的界面纳米力学性能在逐渐增强,界面厚度也在逐渐增大。此外,采用扫描电子显微镜(SEM)观察了填料的分散情况,采用DSC表征了 CNT/HNBR纳米复合材料的界面处橡胶分子链段动力学,采用接触角测试表征了 CNT/HNBR纳米复合材料的热力学参数,均表明复合材料的界面相互作用随HNBR极性的增大而增强,结果与AFM 一致。