填料网络结构演化规律及其对碳黑补强的贡献

　　天然橡胶具有优异的力学性能，在一些特殊领域如飞机、重型卡车轮胎等方面具有不可替代的应用，是一种重要的战略资源。但天然橡胶在使用过程中往往需要添加碳黑等纳米粒子进行补强。研究表明，纳米填料加入后，与橡胶基体发生作用形成填料网络，并在应变作用下发生断裂、滑移等形变，进而耗散加载在体系上的能量，实现补强。但受研究手段的限制，无法获得填料网络在应变作用下断裂和滑移与应变关系的直接证据，对碳黑补强和能量耗散的关系研究主要还停留在定性描述阶段。中国科学技术大学一个研究组对填料网络在拉伸应变下的结构演化对体系能量耗散的关系进行了深入的研究，相关研究成果发表在2015年10月20日的《Macromolecules》上。 

　　该课题组利用北京同步辐射装置4W1A-X射线成像实验站的X射线三维成像技术，对不同应变下复合体系中碳黑的结构变化进行成像，并根据碳黑在橡胶基体中的分布，构建填料网络，对不同应变下填料网络的形变和其对体系能量耗散的贡献进行定量化计算，初步揭示了在不同应变下碳黑网络形变对体系能量耗散贡献与应力应变的关系，即在小应变时，弹性形变储存能量是能量耗散的主要形式，大应变时，网络断裂消耗能量是能量耗散的主要形式。该研究不仅为理解碳黑补强的物理机制提供了实验依据，也为高分子纳米填料复合体系中结构和性能关系的研究提供了新的有效手段。 

　　图1填料网络在不同应变下的网络断裂和恢复。小应变时，弹性形变储存能量是能量耗散的主要形式，大应变时，网络断裂消耗能量是能量耗散的主要形式。

　　发表文章： 

　　Liang Chen, Weiming Zhou, Jie Lu, Jing Li, Wenhua Zhang, Ningdong Huang, Lihui Wu, Liangbin Li, Unveiling reinforcement and toughening mechanism of filler network in natural rubber with synchrotron radiation X-ray Nano-Computed Tomography, Macromolecules, 2015, 48,7923-7928.