硅橡胶分子链的有机无机杂化特点,赋予其优异的耐高低温及耐老化性能,其力学强度通过纳米粒子构成的填料网络补强后,可以提高数十倍之多。这些优异的力学性能来源于纳米填料网络形态及填料/聚合物界面结合力的协同作用。尽管目前已有较多的理论及实验工作研究了填料网络及其与硅橡胶分子链相互作用对硅橡胶力学性能的突出增强效应,但人们对其作用机制及定量描述增强效应仍缺乏理解。存在的主要障碍之一是缺乏对复杂纳米填料网络在硅橡胶基体中构成的三维网络形态的定量表征技术及相应的定量描述填料网络结构及界面结合力对增强效应贡献的理论模型。本文从分布结构简单的单分散二氧化硅填充体系出发,研究了填料在理想的单分散情形下对填料-填料相互作用及填料/硅橡胶界面作用对材料性能的贡献,并作为解释复杂多分散二氧化硅体系的微观补强机理的基础。进而采用荧光标记与激光扫描共聚焦显微镜相结合的技术手段,以沉淀法白炭黑作为研究对象,获得了其在硅橡胶分散聚集结构的真实的三维图像,定量描述了填料体积分数增加所引起的纳米粒子团聚体微观结构演化,研究了复杂分布状态下团聚体填料网络对橡胶的增强贡献。将定量描述纳米填料聚集体分散性的参数引入增强模型,对Mermet-Guyennet方程进行了修正,建立了一种基于体积分数、颗粒形状、界面相互作用和填料分散性的纳米复合材料增强预测模型,并进而通过温度变化调节了填料/聚合物界面作用力大小,进一步证明了该模型可以同时定量描述填料网络及其与分子链作用力。主要结果如下:以表面呈亲水性的单分散二氧化硅S200与呈疏水性的单分散二氧化硅HS200作为填料,研究了二者分别在高、低苯基含量的硅橡胶中的补强效应。因为单分散球形二氧化硅通过强剪切作用可以实现在硅橡胶体系中的均匀分散,因此除了填充体积导致的“应变放大”效应外,其增强作用主要体现在粒径大小及界面作用强度。研究表明,采用Mermet-Guyennet方程可以很好地描述单分散球形二氧化硅的增强效应,计算得到的界面作用力参数仅为(5～6)μm,各增强体系的界面相互作用均很微弱。采用稀土铕对表面亲水的沉淀法白炭黑T36-5进行了荧光标记,以高低苯基硅橡胶作为基体制备了荧光标记白炭黑增强硅橡胶,以与第一部分相同的两种苯基硅橡胶作为基体,采用荧光标记-激光扫描共聚焦显微镜联用技术研究了填料三维分散结构随填充份数增加的变化规律,通过定量分析填料颗粒结构特征参数与填料份数变化的对应关系,揭示了填料由孤立分布到自身团聚,最后相互联结形成网络三个阶段的演化过程。针对复杂分散状态的T36-5填充硅橡胶体系,在Mermet-Guyennet方程的基础上,将填料分散性引入增强模型,建立了一种基于体积分数、颗粒形状、相互作用和填料分散性的复合材料增强预测模型,计算结果表明在具有高次聚集结构的纳米填料网络中,填料与分子链的作用力参数达到了毫米级,比单分散体系高两个数量级,这是纳米粒子填料网络实现其突出增强效应的主要内在机制。在动态振幅扫描测试中,通过该模型研究了小应变形变下填料/聚合物相互作用的影响,并进行了阿伦尼乌斯方程拟合,验证了界面作用的温度依赖性及其在聚合物材料热力学效应中的关键作用。最后得到了既定体系下填料/聚合物界面作用强度热力学行为的定量评估方程。