文章重要内容

       北京化工大学张立群院士/田明教授团队系统阐述了如何利用原子力显微镜纳米力学技术(AFM nanomechanics)、三维扫描透射电镜(3D-STEM)和同步辐射X射线计算机断层扫描(X-ray CT)等先进表征技术，在纳米尺度上实现对橡胶纳米复合材料界面性能(界面厚度、模量) 和纳米填料三维分散结构(如分散均匀性、网络连通性等)的精细化、定量化表征。该综述突破了传统表征方法分辨率的限制，清晰揭示了填料和橡胶的物理化学性质调控“填料-橡胶”界面和填料分散结构的规律及内在机制，为高性能弹性体复合材料的设计与制备提供了重要指导。

文章背景

       橡胶纳米复合材料是高性能轮胎、航空航天及国防等领域不可或缺的关键材料，其优异性能并非来自橡胶或纳米填料的简单混合，而与填料和弹性体间的界面相互作用、以及填料在基体中的分散结构密切相关。然而，传统表征方法往往分辨率有限，难以阐明纳米尺度微观结构(界面性能、分散结构)与纳米复合材料宏观性能之间的关联机制，因而无法为高性能橡胶纳米复合材料的设计与制备提供明确指导，制约了高性能橡胶材料的精准设计和开发效率。

文章概述

近日，北京化工大学张立群院士/田明教授团队系统梳理了原子力显微镜纳米力学技术(AFM nanomechanics)、三维扫描透射电镜(3D-STEM)和同步辐射X射线计算机断层扫描(X-ray CT)等先进表征技术在橡胶纳米复合材料微观结构研究中的应用。

该研究团队采用原子力显微镜纳米力学技术建立了纳米填料-弹性体大分子纳牛级相互作用力的定量表征方法(图1)，为纳米填料-聚合物相互作用力的研究提供了新思路。利用共价键等作用将目标分子X接枝到AFM探针的针尖上，并将目标分子Y作为AFM基底，通过分析AFM探针与AFM基底接触过程中力曲线的变化，进而实现X-Y之间特殊相互作用力的表征。此外，系统总结了相关研究运用该表征方法，在揭示纳米填料改性及聚合物极性对界面相互作用影响机制方面取得的进展。

图1 纳米填料-弹性体大分子纳牛级的相互作用力的表征方法

该团队借助原子力显微镜纳米力学技术的高分辨优势，建立了定量表征弹性体纳米复合材料界面结构(界面厚度、纳米力学性能)的方法(图2)。为确保AFM纳米力学技术对力学性能的准确测量，采用了更适用于橡胶类软材料的Johnson-Kendall-Robert接触力学模型来分析杨氏模量。基于高分辨的AFM纳米力学图像直接识别出界面双层结构，并通过高分辨透射电镜观察结合胶形态以及理论计算进一步对AFM的结果进行验证。此外，团队还精确量化了填料性质(如比表面积、表面改性等)和橡胶极性等影响因素如何调控界面结构。

图2 表征橡胶纳米复合材料界面结构(界面厚度、纳米力学性能)的方法

结合具有纳米级分辨率的三维扫描透射电镜(3D-STEM)与微米级视场的同步辐射X射线计算机断层扫描(X-ray CT)技术，该团队开发了填料在基体中三维分散结构的精细表征方法(图3)。利用该方法实现了从几纳米至数十微米尺度范围内填料分散结构的量化分析，包括填料分散均匀性、尺寸分布、聚集体内部密实度及聚集体和填料网络结构的支化度和连通性等。通过观察弹性体纳米复合材料中的佩恩效应，验证了该方法的可靠性。同时系统讨论了填料和橡胶的物理化学性质对三维分散结构的影响规律。

图3 填料在基体中三维分散结构的精细表征方法

以上表征方法可以更加科学精细化地表征聚合物纳米复合材料的多尺度微观结构(图4)，进而建立多尺度微观结构与宏观性能的构效关系，未来研究可结合人工智能与多尺度模拟，建立微观结构参数与宏观性能关系的预测模型，同时推动表征技术的标准化与大数据共享，建立材料智能化设计方法，加快高性能聚合物纳米复合材料的设计开发及在高端领域的应用突破。

图4 橡胶纳米复合材料的界面和分散表征

引用本文

刘鑫阳, 张至逸, 田晨晨, 宁南英, 田明. 橡胶纳米复合材料界面和分散表征的研究进展. 高分子学报,2025, 56(12), 2159-2190Liu, X. Y.; Zhang, Z. Y.; Tian, C. C.; Ning, N. Y.; Tian, M. Research progress on interface and dispersion characterization of rubber nanocomposites. Acta Polymerica Sinica, 2025, 56(12), 2159-2190