天然橡胶及其复合体系的结构研究对于学术界和工业领域都具有重要价值。虽然高分子材料流动场诱导结晶的理论、天然橡胶结晶自增强机理和粒子填充橡胶体系的结构已经被广泛研究,但是目前仍然没有获得理解流动场诱导结晶、白增强机理和建立结构与性能关系所需要的结构信息。天然橡胶制品在使用过程中经常受到外场的作用,使其发生应变诱导结晶。经典的流动场诱导结晶理论(熵减模型)只考虑了流动场对初态自由能的影响而假设终态是不变的；经典的天然橡胶结晶自增强机理认为应变诱导的晶体在天然橡胶本体中扮演着物理填充和化学交联的作用,增强了橡胶的模量和韧性,忽略了橡胶在拉伸过程中缺口周围的微观结构对抑制缺口扩张的影响；天然橡胶在使用过程中需要添加炭黑等纳米粒子以实现补强的作用,目前大量的研究工作集中于炭黑对性能的影响而缺乏大空间范围高分辨的真实三维填料在橡胶基体中的三维分布,因此无法定量的给出其增强机理。基于以上背景,本论文工作设计了不同的拉伸条件来实现晶体在拉伸过程中获得不同的取向形态,研究了不同取向终态对流动场诱导结晶的影响；采用了显微红外技术和微聚焦X射线扫描技术研究了天然橡胶体系结晶自增强(增韧)机理；通过采用X射线成像技术分析拉伸过程中炭黑凝聚体网络结构的变化以及和力学性能之间的对应关系。主要研究内容及结果如下：(1)经典的流动场诱导结晶的理论中只考虑了流动场对熔体初态的影响而假设终态是保持不变的。为了证明终态中晶体的取向也会对流动场诱导结晶产生影响,我们采用同步辐射宽角X射线衍射研究了天然橡胶在单轴自由拉伸和单轴受限拉伸过程中天然橡胶的结构演化。发现在单轴自由拉伸过程中应变诱导的晶体呈现出单轴取向特征,而单轴受限拉伸过程中应变诱导的晶体呈现出类似于单晶取向的特征且晶体的c轴和a轴分别沿着拉伸方向和受限方向。显示流动场诱导结晶过程中的终态随着我们外场参数的变化是会发生变化的。通过分子动力学软件Materials Studio计算了当受限方向分别沿着a和b轴时晶体自由能的增加△Gcf,发现受限方向沿着b轴时的自由能增加要比沿着a轴的自由能增加△Gcf大0.086kJ/mol。定量的证明了受限拉伸诱导的晶体a轴应该沿着受限方向时晶体更加的稳定,同时表面在拉伸流动场诱导结晶中需要考虑终态的自由能对整体驱动力的影响。通过将不同终态的自由能耦合入经典的流动场诱导结晶理论中,定量的解释了我们的实验现象。(2)通过采用显微红外的拼接技术获得了天然橡胶在拉伸过程中缺口周围的结晶度分布。发现随着距离缺口尖端尺寸的增加其结晶度并不是单调下降的,而是呈现出一维震荡形式下降,在二维的结晶度分布中表现为缺口周围存在着结晶度高低起伏的层级结构。结合结晶度和模量的对应关系,可以认为在拉伸过程中缺口周围存在着软硬交替的层级结构。基于剪滞模型,得出形成的这种层级结构可以显著的降低缺口周围的应力集中和消耗能量,增强了天然橡胶的韧性。(3)通过采用微聚焦X射线扫描技术,获得了天然橡胶在不同应变下缺口周围的结晶度分布。结果显示天然在拉伸过程中随着距离缺口尖端尺寸的增加,结晶度在一维上面表现出震荡形式的下降。二维的结晶度分布表面拉伸过程中缺口周围存在着结晶度高低起伏的双网络结构,结合结晶度和模量的对应关系,发现缺口周围存在着软硬交替的双网络模型。理论分析显示生成的双网络结构可以将应力可以在更大区域范围内传递并耗散掉,显著增强材料的韧性；定量计算表面相对于结晶度均匀分布的体系,双网络结构可以使的材料的断裂能在应变5.5时呈现出三个量级的形式增强。结合前人的研究工作,得出天然橡胶在拉伸过程中分子水平的构象变化、纳米尺度的片晶和微米尺度的双网络结构构成自发响应的多尺度的层级结构,使得橡胶具有优异的韧性。(4)采用同步辐射三维X射线成像技术,获得了含炭黑填充的天然橡胶在拉伸前和拉伸后炭黑凝聚体在天然橡胶基体中的三维分布。发现炭黑凝聚体在天然橡胶基体中是不均匀分布的,同时炭黑凝聚体的不均匀分布会诱导纳米空隙的生成,进而造成应力集中和降低材料的力学性能。统计分析发现在拉伸前指定尺寸的凝聚体含量(相邻凝聚体之间的间距)随着尺寸(间距)的增加呈现出下降的趋势；在应变3时这个下降过程中伴随着震荡,表面出拉伸使得凝聚体发生破坏；同时发现相邻凝聚体之间的间距在应变3时存在这最合适的间距,表面拉伸使得网络更加的均匀。通过双网络模型发现拉伸诱导的炭黑网络破坏会降低其对复合体系力学性能的贡献,这是Payne效应的一个直接证据。