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橡胶复合材料具有独特的粘弹性、低弹性模量和可逆形变等特性,在交通运输、密封防护、减震阻尼等领域具有重要应用。橡胶制品在实际使用时,需要长期经受准静态或者周期性动态载荷的作用,长此以往橡胶材料会逐渐破坏失效,带来巨大的安全隐患或者造成重大经济损失。因此,研究橡胶复合材料的疲劳性能对于橡胶制品的制备和使用具有重要意义。本论文探究并揭示填料类型、填料分散网络结构、填料与橡胶界面作用对橡胶复合材料力学强度以及疲劳性能的影响规律,从而为高强度、抗疲劳橡胶纳米复合材料的设计与制备提供了新的策略。本论文研究内容如下:(1)系统研究了球形白炭黑(SiO2)、管状碳纳米管(CNT)、片层氧化石墨烯(GO)三种不同形状系数填料单独使用时对丁苯橡胶(SBR)复合材料填料分散状态与填料网络微观结构、力学强度、裂纹扩展行为,以及裂纹断面形貌与元素分布等的影响。结果表明:CNT或GO更容易在较低填充量时形成互相搭接的填料网络,这种结构对于SBR复合材料的定伸应力提升显著;疲劳裂纹扩展速率和裂纹断面形貌与填料类型和用量密切相关;当三种不同填料增强的SBR复合材料具有相同硬度时,SiO2/SBR和GO/SBR复合材料的裂纹扩展速率相当,CNT/SBR复合材料的裂纹扩展速率最大。此外,由疲劳裂纹断面元素分析可知氧化锌(ZnO)也是引起橡胶裂纹扩展的重要因素之一。填料网络结构、填料与橡胶基体的界面作用以及ZnO的分散是影响橡胶疲劳性能的三个关键因素。(2)针对填料网络结构,设计了不同形状系数填料并用(CNT-SiO2,GO-SiO2)增强的SBR复合材料。结果表明:管状CNT或片层GO与球形SiO2构建形成的穿插隔离网络有利于提升复合材料的定伸应力和撕裂强度。在单轴疲劳中,动态应变下GO-SiO2填料网络具有更好的稳定性,GO在填料网络中可以分担应力,使裂纹在扩展时更易于发生偏转,产生次级裂纹,进而降低裂纹的扩展速率。在多轴疲劳中,最大工程应力(σmax)以及应力幅值对SBR复合材料的疲劳寿命具有一定的影响,在相同的σmax或应力幅值时,GO-SiO2/SBR复合材料的疲劳寿命最长,验证发现σmax与疲劳寿命之间具有很好的对应关系,可以用来预测SBR复合材料的疲劳寿命。(3)为了改善GO与非极性SBR之间的界面相容性,采用低成本的木质素磺酸钠(SLS)为稳定剂,抗坏血酸(VC)为绿色还原剂,制备出可以长时间稳定分散的功能化石墨烯(SRGO)水分散液。采用乳液复合法将SRGO与SBR胶乳复合,将乳液絮凝产物直接制备成SRGO/SBR或与SiO2并用制备成SRGO-SiO2/SBR复合材料。结果表明:SRGO/SBR复合材料不仅具有较高的定伸应力、优异的拉伸强度同时还保持较大的断裂伸长率;当SRGO用量达到3 phr时,裂纹断面形貌粗糙,孔洞缺陷结构较少,裂纹扩展速率明显降低。同时,SRGO-SiO2构建的协同分散填料网络也展现出优异的抗裂纹增长特性,与GO-SiO2填料体系相比,并用1 phr SRGO的裂纹扩展速率即可达到3 phr GO的效果。SRGO的均匀分散以及与橡胶基体间的良好界面作用是实现优异抗疲劳性能的关键。(4)采用静电吸附作用和原位生长相结合的方法制备了 ZnO-GO(ZG)复合粒子,通过机械共混法将ZG复合粒子与极性氯丁橡胶(CR)复合得到ZG/CR复合材料,通过乳液复合法将ZG复合粒子与非极性SBR复合得到ZG/SBR复合材料。在ZG/CR中,ZG复合粒子与极性CR之间形成氢键和金属配位键双重作用,进而构建了填料-橡胶的强界面作用。ZG复合粒子不仅提高了 CR硫化效率、交联密度、力学强度,同时还改善了 CR疲劳裂纹断面处的ZnO分散状态,提高了 CR复合材料的抗裂纹扩展性能。当GO含量为3 phr时,ZG/CR的硫化速率比ZnO-GO/CR体系提高了 2.6倍,300%定伸应力和拉伸强度分别提高了 31%和60%。在以羧基丁苯橡胶(XSBR)为界面剂的ZG/SBR中,ZG复合粒子与XSBR之间形成-COO-/Zn2+离子键和氢键作用,同时XSBR与SBR之间可通过硫磺交联形成共价键。在多重键合作用下,ZG/SBR表现出更高的力学强度。由于离子键和氢键在动态应变下可以优先断裂耗散能量,同时疲劳裂纹断面的ZnO粒子分散性明显改善,因此ZG/SBR复合材料在抗裂纹增长,提高疲劳性能方面具有更显著的优势。这种简单、有效的方法制备的ZG复合粒子不仅可以作为硫化助剂同时还可以充分发挥GO的增强优势,为制备多功能性的橡胶助剂以及高性能橡胶复合材料提供了新思路。