橡胶是一种结构和组成复杂的高分子复合材料,在许多领域都有广泛的应用,尤其是轮胎、密封件和弹性材料。为了满足这些应用,橡胶需要满足相应的机械性能和热学性能要求,于是需要有选择地选择聚合物和各种添加剂并混合以形成弹性复合材料。由于橡胶体系的复杂性,在实验中很难观察其微观细节,而计算机模拟可以从微观角度深入了解物质的细节变化。本文使用分子动力学方法(Molecular Dynamics Simulations,MD)研究了聚异戊二烯橡胶(Polyisoprene rubber,IR)的力学强度、往复形变的生热性能和导热性能。首先通过MD方法研究了交联密度、填料含量、填料粒径、界面强度、温度和应变率对IR的力学性能和生热的影响。研究发现存在最佳交联密度使IR的生热最小;随着填充含量和界面强度的增加,IR的力学性能和生热均快速升高;粒径的增加可以减少体系中热量的积累,但力学性能有所下降;温度升高,IR的生热减少,力学性能也随之降低;在高应变率下,随着应变率的提高,IR的机械性能和生热性能都有明显的升高。然后通过能量分析方式研究了IR的生热性能。首先对动能和势能分析发现,填充后的IR中势能变化远远大于动能变化;然后通过对键合能量和非键合势能研究发现,势能变化中,非键合势能是主要影响因素;最后通过对聚合物-聚合物(p-p)、聚合物-填料(p-f)和填料-填料(f-f)非键合势能计算发现,p-f非键合势能是能量变化的主导因素。最后探究了网络结构、填料含量、填料尺寸、p-f界面强度和分子链取向对IR导热性能的影响。研究发现交联密度的增加可以在一定范围内提高聚异戊二烯的导热性能;双网络结构可以进一步改善交联聚异戊二烯的导热性能;填料的添加可以提高IR的导热性能,其中,p-f界面强度的提高对其导热性能的提高最明显;分子链取向对低交联、低填充和低p-f界面强度的IR导热性能影响较大。研究发现了影响橡胶材料生热性能的重要因素,即聚合物链段与填料之间的相互作用强度。模拟研究结果可以帮助实验设计和制造高强度、低生热、良导热性能的新型橡胶材料。