随着电子器件的特征尺寸不断下降至微纳米量级,材料的热输运效率很大程度上决定了微电子器械的功能。碳纳米管因具有很高的导热系数,成为微纳米尺度传热领域的研究要点,在能源有效利用和可持续发展方而展示了其独特的潜力。而当某些外来物质填充到具有独特中空结构及管层结构的碳纳米管内腔形成异质结构时,随之带来的量子效应促使电子结构与性质、表面和界面的性质与行为发生强烈的重构和变异,且在纳米尺度效应作用下的受限空间内发挥到极致,进而在保持其结构完整性的前提下赋予碳纳米管更多令人惊叹的奇异特性。本文针对负载不同异质基元的碳纳米管的热效应开展了系统研究,以期为碳基纳米复合材料的热设计,及其纳米器件的研制提供新思路。针对碳管内负载纳米异质基元(C原子、C60分子、Au纳米线)所形成的复合结构,首先利用分子动力学方法,模拟纳米异质基元填充所引发的热物理现象和声子输运的变化；进一步开展声子性质(散射机制、态密度、模式参与率、模式权重因子、重叠能、频率相对贡献等)、局域热流、异质基元运动传质等分析,揭示纳米复合材料的微观导热机理；同时考察了环境温度及材料结构参数(碳管长度、直径、手性,异质基元填充率、分布方式等)的影响,明晰了各因素的变化影响规律；并尝试探索有效实验观测,利用拉曼光谱测定单根空碳纳米管的热导率,为理论模拟结果开展对比验证。研究结果表明,C原子、C60分子、Au纳米线的填充,给碳纳米管的热传导带来不同的作用效果：(1)双壁碳管内、外管间填加碳原子,引起内层碳管的低频声子模式衰减且权重因子增大,导致碳管热导率在200-600 K温度范围内降低约20%。(2)单壁碳管空腔中负载C60分子而构成的碳纳米豆荚,其导热性能远优于空碳管,导热性能的提升得益于两方而：碳管与C60间的横声学波、径向呼吸模在0-20THz低频区域内的“积极耦合”益于导热；C60分子在碳管内的旋转和平移运动提高了质量传递对热流的贡献,促使热导率进一步升高。(3)单壁碳管空腔中填充Au纳米线而构成的碳纳米管电缆式复合体,Au纳米线电子热导率远小于复合材料的声子热导率,可以忽略；Au纳米线的填充引起复合材料低频声子模式加强,使得复合材料的热导率高于相应空碳管,在100-500 K的温度范围内升高幅度约20-45%。三种不同填充基元对碳纳米管热导率与环境温度、碳管结构参数(管长、管径)间的依变关系影响不大,但异质基元填充率或填充方式对复合材料热输运的影响显著：双壁碳管热导率的下降幅度随着管间填加的C原子数目的增多而增大,相较于沿管长方向填加碳原子,集中在截面上填加碳原子使得热导率下降更多,且下降速度更快；此外,每一截面上填加碳原子个数对双壁碳管热导率的影响远大于填加碳原子的截面沿轴向的线密度,而管长对热导率的影响最小。随着C60分子填充率变大,碳纳米豆荚热导率出现先增大后减小的趋势,这是由碳豆荚中质量传递对热流的贡献以及碳管与C60间的声子耦合,均随填充率的变大出现非单调性的变化引起的。由于Au-C相互作用比Au纳米线质量传递作用更加突出,纳米电缆的热导率随着Au纳米线填充率的升高而单调增大。激光拉曼实验测得,在316-378 K的测量温度范围内,长度为25μm,直径为1.34 nm的单壁空碳纳米管的热导率变化范围为1651-2423 W/m·K。测量温度范围内,空碳管热导率随着环境温度的升高而降低,与模拟结果变化趋势一致,从而为本文的理论模拟提供了一定的验证依据。