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随着电子设备的小型化及多功能化的快速发展，电子工业迫切地需要更高介电和更高导热聚合物材料，以减小电子电容器的体积和提高电子设备的散热能力。向聚合物基体中添加高介电陶瓷和导电体填料制备复合材料是两种有效的提高聚合物介电常数的途径。由于制备导电体/聚合物逾渗体系复合材料在较低的含量下即可大幅提高聚合物基体的介电常数，因而显示出巨大的优势，但这一途径提高聚合物介电常数的同时也引起介电损耗的跃升。本文第一部分利用石墨烯的高导电性，通过对石墨烯纳米片表面界面设计，合成出一种含有“绝缘体-导体-绝缘体”结构的三明治二维纳米填料（rPANI-GS-rPANI）。将这种三明治填料加入到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中，发现复合材料的介电常数随着填料含量的增加而单调提高，而介损依然维持较低水平。当复合材料中石墨烯体积分数达6%时，聚合物的介电常数由3.6提高到40.6，而介电损耗只有0.12。同样，向聚合物基体中添加高导热填料也是提高聚合物基体热导率的有效途径。常用的高导热填料主要是陶瓷、金属和碳类填料。碳类填料，特别是石墨烯，由于具有超高的热导率、较小的比重、较大的比表面积等诸多优势，在提高聚合物导热能力领域显示出独特的优势。本文第二部分，以石墨烯为高导热填料制备聚合物复合材料来提高聚合物基体的导热能力。这种石墨烯填料是通过向溶剂液相剥离的石墨烯片间引入低聚倍半硅氧烷（POSS）阻碍剥离的石墨烯的回叠来制备的。研究发现，这种方法制备的石墨烯片，相较于直接溶剂液相剥离的石墨烯片，能有效的提高聚合物基体的热导率。当这种填料的体积分数达到15%时，聚合物的热导率由0.24Wm-1K-1提高到1.7Wm-1K-1，提高了将近6倍。研究表明，石墨烯二维纳米片是一种制备高介电和高导热聚合物复合材料的优良填料。