由于材料组成和几何结构的复杂性，非均质材料中的热传导现象表现出很多重要特征。本文以多尺度热传导问题为研究对象，通过理论分析和计算，研究了微纳尺度和宏观尺度非均质材料中的热传导问题。具体完成的工作如下:　　(1)首先阐述了本文针对晶格热传导模型所采用的分子动力学模拟方法。研究了传统热浴的反射性质并创建了新型无反射热浴。参照实际材料确定一维晶格模型中的参数，在此基础上证实了一维材料中的非傅立叶热传导现象，分析结果表明边界热阻是已有理论结果与实验数据之间差异的主要原因。此外，发现了无反射热浴对于揭示本征热传导机制的重要作用。　　(2)开展了具有微纳特征尺度的非均质材料热传导中界面效应的研究。对于界面平行于热传导方向的情况，建立了通过范德华界面相互作用连接的非线性晶格模型，发现范德华界面可以调控平行于界面方向的热导率且调控效率依赖于范德华相互作用的强度和系统的温度。揭示了范德华界面连接的微纳结构中热传导的尺寸效应。对于界面垂直于热传导方向的情况，提出了一个由界面主导的耦合弹道-扩散输运模型，它可以预测声子散射特性、成分体积分数、系统尺寸以及界面连接强度对于热传导性能的影响，且相关结果与最近许多微纳结构的实验数据相吻合。此外，还研究了掺杂效应对微纳材料热传导性能的影响。计算结果表明掺杂会显著降低系统的热导率并且本文对于完全随机掺杂的结果与已有很多实验数据相吻合。同时，在低温情况下，掺杂会降低热导率对于系统尺寸的敏感性。　　(3)研究了微纳非均质材料中的热整流现象。建立了一个非对称边界构型的晶格热传导模型，并在数值上验证了系统中的热整流现象，揭示了系统中热整流现象的本征机制。另外，在无反射热浴的基础上，以碳纳米管热传导实验条件为参照建立了由一个界面连接两种不同性质材料的晶格模型，在数值上证实了微纳非均质材料中普遍存在的本征热整流现象。发现无反射边界对于从存在关联效应的热浴中解耦出本征的热整流性质是十分重要的。给出了一个在室温实验条件下可能实现的热整流器件的基本单元。此外，还建立了由同种性质晶格组成的非均质结构晶格热传导模型，证实了系统中存在仅由结构非对称性导致的热整流效应并分析了系统中界面连接强度对热整流效应的影响。　　(4)开展了宏观非均质材料等效热传导性能和非线性热传导的研究。发展了一个考虑材料微结构特征的数值模型来预测宏观非均质材料的等效热导率。这个模型可预测二维和三维情况下任意孔隙率及任意复杂微结构的非均质材料的等效性质。另外，基于细观力学框架，提出一个求解非均质材料等效热导率的理论模型。针对夹杂粒子梯度分布的构型，求解了功能梯度材料的等效热导率。当材料的梯度消失，此模型可以预测统计均匀的非均质材料的等效热导率。此外，证实了在边界热阻随温度变化的情况下，使用宏观功能梯度材料可实现非线性热传导现象。在简化边界热阻的条件下推导出了宏观非均质材料中热整流、负微分热阻以及热晶体管效应的表达式。特别针对热晶体管效应给出了连续升高和降低输出分支中热流的两个算例。还分析了非线性热传导系统中的尺寸效应。