换热器被广泛地应用于各种工业领域。传统的换热器由金属和金属合金制作而成，在酸性环境中容易发生严重腐蚀和结垢现象。为了解决这一问题，人们用聚合物代替传统的金属制备换热器。但聚合物的导热系数低造成聚合物换热器体积庞大，实用性降低。将高导热填料添加入聚合物基体形成新的导热复合材料，是提高聚合物导热性能的简单、有效方法。制得的复合材料导热系数高且保留了聚合物耐腐蚀、抗结垢的特性。人们提出了各种不同的经验公式来预测导热填料对复合材料导热性能的影响，但预测范围非常有限，只适合于很窄的填料含量范围。这些经验公式都假定填充型复合材料是填料与聚合物基体的简单混合，填料的含量和导热系数是影响复合材料导热性能的决定性因素。但事实上，复合材料的导热系数并不是填料与聚合物基体的简单叠加，填料与基体的相互作用、填料的形状和分布、填料之间的相互作用都影响着复合材料的导热性能。本文将人工设计的填料形状引入，研究导热复合材料中基体与不同形状填料间的共轭导热过程，阐明上述因素的影响，主要工作包括以下几点：（1）复合材料的共轭导热模型的建立。复合材料中的导热过程并不是一个简单的填料与聚合物基体的混合，而是一个共轭传热过程。填充型复合材料的导热模型的建立是开展各项研究的第一步，模型的质量决定着数值结果的准确性。导热模型必须能够代表复合材料的整体结构；包含计算所需的填料数量；计算网格要同时兼顾数值结果的准确性和数值分析的效率。（2）利用非线性规划反问题极值优化填料形状，寻求复合材料导热强化的最优填料形状。填料的优化过程由三个阶段构成：胚胎期、婴儿期和成人期，对应的最佳填料形状分别为垂直哑铃形、未发育完全的“工”形、完全发育的“工”形。填料形状的优化趋势为：首先增长填料的高度到允许的程度，随后增长填料的宽度。机械制造的六种填料形状中，“工”形填料的导热强化作用最好，在填料的体积含量20%下，“工”形填料填充的复合材料的导热系数比圆形填料高1.5倍。（3）通过求解复合材料的非均相二维共轭热传导方程来揭示导热填料与聚合物基体之间的相互作用。研究发现：填料的形状和方位角影响着复合材料的有效导热系数；树形或构型是强化复合材料导热性能的有效填料形状；传统的片状或纤维状填料只有沿着热流定向分布时才具有最佳的导热强化效果。（4）高填料含量下复合材料的共轭导热特性。建立共轭导热模型并考虑填料彼此之间的相互影响，导热模型的预测值在较宽的填料含量范围内和实验值相吻合。（5）建立随机分布的填充型复合材料的导热模型，并进行数值模拟。研究结果发现：最优形状的填料在热流方向上的热传输距离长，与聚合物基体的接触面积大；填料分布状态对不同形状填料填充的复合材料的导热系数的影响是不同的；当填料的导热系数超过基体导热系数的1000倍后，再通过单一的提高填料导热系数的方法提高复合材料的导热性能是无效的。（6）膨胀石墨片（EG）是一种经济而有效的制备高导热复合材料的填料材料。建立填料随机分布的数值模型，预测膨胀石墨片填充的复合材料的导热系数。研究发现：填料的高厚比越大，其导热强化作用越强。膨胀石墨能够在外力作用下剥离成更薄的石墨片，增大了填料的高厚比，增强了填料的导热强化作用。超薄石墨片是一种优良的导热填料。