弹性体基纳米复合材料是材料科学与工程领域的研究重点,具有优于传统聚合物复合材料的力学性能。然而,如何控制纳米填料在弹性体基体中稳定的分散状态是实现弹性体纳米复合材料优越性能的基础,而如何建立其微观结构与宏观性能之间的关联则是实现性能可控的关键。考虑到弹性体纳米复合材料是一个涉及多尺度多相互作用的多元复杂体系,传统实验技术很难做到对其微观结构细致全面的表征,从而无法建立起微观结构和宏观性能之间精确定量的关联。因此,计算机模拟将在理解和预测弹性体基纳米复合材料的性能增强方面发挥着越来越重要的作用。本文通过建立弹性体纳米复合材料的粗粒度模型,运用平衡态与非平衡态的分子动力学模拟,研究了弹性体纳米复合材料的微观结构与宏观力学性能。其主要工作和创新点如下：(一)表面接枝的纳米颗粒的分散机理的研究：关于分子链接枝纳米颗粒的研究,以前的工作要么只关注分子链的微观行为(采用理论计算和模拟工具),要么只关注较为宏观的纳米颗粒的分散状态(采用实验手段)。特别地,大部分模拟所采用的模型十分简单,只是一个或者几个纳米颗粒接枝聚合物分子链的情况。本文则建立了一个较大的较为真实的模拟体系(含48个纳米颗粒和几千条聚合物分子链)。相比于其他体系,该体系能够更好地直接表征纳米颗粒的分散状态,如直观的快照图、粒子间的相互作用能等。通过把纳米颗粒的分散状态与分子链的微观行为相联系,解释了表面接枝的纳米颗粒的分散机理。接枝纳米颗粒的分散状态主要由聚合物接枝分子链的排除体积(excluded volume effect)以及本体效应(matrix effect)两个因素所控制的。本文还研究了表面接枝密度、接枝分子链链长和本体分子链链长对纳米颗粒分散的影响。结果表明,对于纳米颗粒接枝,存在着一个最佳接枝密度；而接枝分子链越长,本体分子链越短,纳米颗粒的分散就越好。另外,考虑到真实的情况中接枝分子链和本体分子链多不具有相同的化学性质,本文也考察了接枝链和本体链之间的热力学作用力(Flory-Huggins parameter)对于分散的影响,而这是以前的模拟和理论计算所没有涉及的。(二)应变诱导的弹性模量非线性行为的研究：虽然弹性体纳米复合材料发展飞速,但其增强机理以及非线性力学行为一直未得到很好地解决。以前的研究工作要么关注静态下的微观结构的热力学和动力学(平衡态模拟和理论计算),要么通过宏观性能推测其增强机理(实验手段和非平衡态模拟)。目前还没有模拟工作把形变过程中的微观结构的演变和材料宏观的非线性力学行为建立联系来进行研究。本文建立了一个弹性体纳米复合材料的粗粒度模型来模拟一个较大空间尺度和时间尺度的体系(60480个模拟粒子)。采用了非平衡态分子动力学模拟,包括单轴拉伸以及简单剪切,研究了体系的应力应变行为,通过拟合得到了弹性模量形变曲线,观察到了类似于"Payne效应的”的应变诱导的非线性力学行为。同时,细致地表征了形变过程中模拟体系的微观结构的演变,而这是以前的非平衡态分子模拟和理论计算所没有的。基于微观结构的变化,探讨了体系弹性模量随应变的非线性行为的微观机理。结果表明,对于纳米颗粒聚集的体系,其非线性行为来源于直接接触的纳米颗粒网络/团簇的破坏解体,而对于纳米颗粒分散的体系,非线性行为则来源于通过聚合物壳层桥接而相连的纳米颗粒网络/团簇的破坏解体。另外,本文也考察了纳米颗粒-纳米颗粒之间的作用力、纳米颗粒-聚合物之间的作用力以及纳米颗粒体积分数对于这两种物理网络结构的影响。发现了体系的初始平台模量随纳米颗粒体积分数的非线性增加的现象。最后通过研究发现,降低弹性体纳米复合材料非线性行为的有效途径是增加纳米颗粒相互之间的距离或者在纳米颗粒表面接枝聚合物分子链。(三)表面接枝的纳米颗粒填充体系的静态与动态力学性能的研究：首次通过分子模拟研究了表面接枝的纳米颗粒填充的弹性体材料体系的动态力学性能。本文采用了一种新的纳米颗粒接枝模型,即在纳米颗粒表面引入了表面虚拟点,使接枝分子链不会沿纳米颗粒表面滑移,与真实情况更为符合。本文重点考察了接枝密度和接枝分子链长对于弹性体纳米复合材料静态和动态力学性能的影响。通过模拟体系快照图、径向分布函数、接枝分子链与本体分子链构象表征等研究了体系的微观结构,利用单轴拉伸研究了体系的静态力学性能和增强效果,通过周期性振荡剪切研究了体系的动态力学性能。结果表明,增加接枝密度和增加接枝分子链长能使纳米颗粒的分散状态变好。而其微观结构又影响了宏观力学性能：接枝密度的增加和接枝链的变长使得接枝链与本体链之间的界面相互作用增强,增强效果更明显；体系中直接接触的纳米颗粒的减少使得弹性模量随应变的非线性行为以及储能模量对剪切幅度的依赖性("Payne效应”)减弱。总之,表面接枝的纳米颗粒填充的弹性体体系中,接枝分子链与本体分子链之间的界面相互作用是力学增强的主要来源,也是材料非线性行为变弱的主要原因。