高分子材料具有耐腐蚀、抗结垢、密度轻、易加工性以及价格低廉的优点，在化工、石化、制药、电子计算机以及国防工业等诸多领域中有着重要的应用。大多数高分子材料由于其导热性能较差，制约了其进一步的发展和应用。本论文采用仿生学思想，制备和表征了一系列复合导热高分子材料，系统地研究了材料的导热性能和机械性能，并采用导热模型阐释了导热填料增强机理，并探索了材料其在化工换热领域的潜在应用价值。主要内容和研究结论如下：
　　I.受蜘蛛丝丝蛋白定向结构的启发，采用电荷自组装的方法制备出磁性碳纳米管，并借助磁场定向制备出定向磁性碳纳米管-聚偏氟乙烯复合材料。导热性能测试表明，当磁性碳纳米管与热流方向平行时，其导热性能最好。当磁性碳纳米管含量为15wt%时，垂直定向碳纳米管复合材料的导热率为0.506W/m·K。定向磁性碳纳米管-聚偏氟乙烯复合材料换热器在模拟海水介质中具有不易结垢、耐腐蚀和持续稳定性强等优点，在高盐度介质换热领域具有潜在应用价值。
　　II.受到多巴胺出色的粘附性和金属螯合能力的启发，利用多巴胺和四氧化三铁对氮化硼进行共改性，以解决填料各向异性导热率和界面热阻的问题，制备了共改性氮化硼-聚偏氟乙烯复合材料。该复合材料的导热率随磁性氮化硼的填充量的增加而增加。当氮化硼含量为20wt%时，共改性氮化硼-聚偏氟乙烯复合材料的导热率可达1.430W/m·K。共改性氮化硼可以增强声子的传播效率并促进导热通道的构建效率，使材料的热阻下降和导热率提升。氮化硼复合材料的机械性能也因氮化硼的共改性而得到提升。磁性定向氮化硼-聚偏氟乙烯制备的换热器在强碱介质中展现了良好的传热性能和耐腐蚀性能。
　　III.受到海胆刺状结构的启发，采用水热-碳化法，制备了一种海胆状的石墨包覆四氧化三铁微球，并通过溶剂挥发法制备出海胆状的石墨包覆四氧化三铁微球-聚偏氟乙烯复合导热材料。纳米填料的海胆型结构有助于填料的分散，可以有效提高材料的导热性能。当其填充量为5wt%时，复合膜的导热率比纯聚偏氟乙烯膜提高了272%。复合膜拉伸强度的测试结果表明，石墨包覆四氧化三铁微球在复合材料中分散均匀，因此复合材料拉伸强度并未造成明显下降。