近年来,随着汽车工业的迅猛发展以及人们对资源环境保护意识的不断增强,具有节油和低固体颗粒物排放特点的高性能绿色轮胎已经成为轮胎行业科技进步的重中之重。本论文围绕着汽车轮胎胎面用橡胶材料的高性能化,研究并揭示了基体橡胶分子链结构、填料聚集态结构、橡胶复合体系的多层次多尺度结构对材料性能的影响规律。溶聚丁苯橡胶(SSBR)和顺丁橡胶(BR)是制备绿色轮胎的重要原材料,清晰阐述并明确橡胶分子链结构与宏观性能间的关系,是实现橡胶分子结构适宜性调控的关键。论文中,将具有不同链结构的SSBR和BR应用于胎面胶中,细致考察了橡胶大分子链结构对复合体系中填料的分散、填料-橡胶界面相互作用以及硫化胶动静态性能的影响;此外,将经过表面化学修饰、具有不同结构参数的白炭黑作为主增强填料填充到胎面胶中,研究了表面修饰白炭黑在橡胶基体中的分散特性以及对综合性能的影响,揭示了橡胶材料的组成-结构-“魔三角”性能之间的关系。提高轮胎胎面胶的耐磨性能可以延长轮胎的寿命、降低运输成本,还能有效减少能源消耗和有害颗粒物的排放。为此,本论文在传统阿克隆磨耗试验机基础上做出改进,对比研究了以不同分子结构的生胶、不同结构参数的白炭黑为变量的胶料在不同工况下的耐磨性能,阐明了磨耗量-摩擦面形貌之间的对应关系。对SSBR分子链进行适当的官能化改性,通过官能团与白炭黑形成氢键作用可以达到改善白炭黑粒子在橡胶基体中的分散性以及与橡胶基体的相容性的目的。论文中,从SSBR分子结构设计出发,在阴离子活性聚合过程中,采用1-(4-二甲氨基苯基)-1-苯基乙烯和1,1-双(4-二甲氨基苯基)乙烯对SSBR进行链端、链中官能化改性,得到了不同胺基官能化的SSBR,并将其作为基体应用到了白炭黑增强的胎面胶复合材料中。扫描电子显微镜(SEM)和三维同步辐射X射线测试以及原子力显微镜(AFM)结果表明,白炭黑通过与胺基官能团的氢键作用,实现了白炭黑粒子更好的分散,并形成了更厚的界面结合层,有效改善了橡胶复合材料的综合性能,分子模拟的理论分析结论也很好地验证了胺基官能化的实验结果。此外,本论文还采用了粗粒度分子动力学(CGMD)模拟的手段,探索了纳米颗粒在官能化聚合物基体中的自组装行为。结果表明,在特定的剪切速率范围(γthr<γ<γc)内,官能化聚合物会诱导球形纳米粒子(NPs)自组装成一维连接结构,且能在停止剪切后保持稳定,从而揭示了在混炼和停放实验过程中,官能化SSBR的官能基团与填料粒子之间的相互作用对橡胶纳米复合材料的结构与性能影响关系机制。轮胎在行驶过程中,要承受外部周期性动态载荷的作用,非线性粘弹性本构关系随之变化,如何清晰地表征疲劳过程中橡胶材料微观结构演变,并建立这种结构演变与动态性能间的关系具有重要意义。论文中,采用X射线三维成像和理论计算相结合的方法,深入研究了大变形、长时间循环剪切作用下橡胶纳米复合材料粘弹性演变对性能的影响机制。结果表明:在大变形的循环剪切作用下,橡胶纳米复合材料中填料粒子的松散聚集体首先被破坏,受限橡胶分子释放,使得弹性模量下降。随着增强粒子间橡胶分子的不断浸入,粒子聚集颗粒间的范德华力作用减弱,强聚集体被破坏,进而提出了橡胶分子可连续插入增强粒子间并取向,从而获得更高强度的新增强机制。此外,还考察了具有二维片层结构的还原氧化石墨烯/天然橡胶复合材料的粘弹性随填料用量、剪切应变、剪切时间的变化规律。除一些传统填料可增强橡胶材料外,稀土元素具有独特的电子结构,拥有特殊性质的稀土化合物在橡胶复合材料中具有潜在应用。论文中,采用共沉淀-喷雾干燥结合法制备了粒径约50～60 nm的超细氧化钐粒子,然后采用硬脂酸,通过表面化学吸附及弱键合作用对氧化钐粒子进行改性。实验结果表明,与未改性体系相比,稀土填充的橡胶复合材料中,改性氧化钐粒子团聚现象得到明显改善;同时,力学性能得以提升,这主要是归因于橡胶复合材料受力时稀土元素的空f轨道能与橡胶分子之间形成“瞬时巨大络合物”。此外,论文中,依据稀土配位化学制备了稀土促进剂—二丁基二硫代氨基甲酸钐,并用其替代传统促进剂CZ、促M,应用于高性能轮胎硫化促进体系。实验结果表明,添加稀土促进剂的体系的硫化活化能更低,可以在低于传统促进剂体系的硫化温度下硫化,且硫化胶具有更高的抗裂纹增长能力以及更低的滚动温升,非常适用于轮胎厚制品的长时间硫化。据此,提出了稀土促进剂低温硫化促进机理:稀土 4f电子层能级丰富,配位能力强,可与橡胶中硬脂酸或碱性化合物形成更多的配位键,从而弱化了稀土-硫键的键能,能够在较低的反应温度下对橡胶进行硫化。