未来航天器要求电子元器件高密度集成化,这使得航天器结构散热问题变得尤为突出。为了满足卫星微电子高端散热器件对结构高承载、高导热和低热膨胀多功能一体化的迫切需求,本文先后开展了高导热树脂基复合材料板、多功能复合材料蜂窝结构、多级复合材料蜂窝结构和石墨泡沫多级复合材料蜂窝结构的设计、制备与性能评价等研究工作。本文以低成本碳纤维树脂基复合材料为基础,利用混杂材料设计思想,设计制备了碳纤维树脂基复合材料/高导热石墨膜混杂材料层合板(CFRP/TGS),并试验研究了CFRP/TGS复合材料层合板的导热性能、基本力学性能和热膨胀性能。结果表明TGS提高了CFRP/TGS层合板的面内导热性能,使其达到了铝合金的水平,同时CFRP/TGS复合材料层合板充分继承了CFRP优异力学性能和较低热膨胀系数等优点。随后,本文通过周期性填充铜杆的方法在复合材料板内部直接构建导热通路,制备出铜杆填充型复合材料板,并对其导热性能展开理论与试验研究。实验结果表明复合材料板具有较高的面外导热系数,理论研究结果揭示其导热机理,并提出影响其导热性能进一步提升的关键因素。然而,界面热阻较大和制备工艺复杂的缺点,限制了铜杆填充型复合材料板的应用;为此,本文进一步提出一次成型制备方法并制备了一种铜球填充型复合材料板,在提高复合材料板面外导热性能的同时,实现了制备工艺简单和界面热阻小的目标。除了对复合材料面板导热性能的要求外,高端散热领域对轻质夹芯结构也提出了多功能一体化要求。本文应用第二章研究成果,利用混杂材料的设计思想,通过嵌锁组装方法设计和制备出Ashby混杂材料蜂窝结构,并采用理论与实验相结合方式来表征其面外导热性能、面外压缩性能和剪切性能。结果表明,高导热石墨膜显著提升了复合材料四边形蜂窝结构的导热性能;增加高导热石墨膜体积含量大大提高多功能复合材料蜂窝结构导热系数;另外,通过提高界面粘接胶层导热系数进而降低界面热阻,也可以显著提高结构的面外导热系数。在低密度区域,碳纤维复合材料蜂窝结构易于发生弹性屈曲和面芯脱粘失效,力学性能不高。为此,本文利用多级结构思想设计和制备了多级复合材料蜂窝结构,并对其压缩和剪切载荷下的力学性能进行理论和试验研究。研究发现,在平压载荷下,泡沫多级相的填充避免了复合材料蜂窝结构蜂窝壁弹性屈曲的发生,且最佳泡沫厚度的优化进一步提高了多级复合材料蜂窝结构的平压强度。理论研究揭示了多级复合材料蜂窝结构最佳泡沫厚度与泡沫杨氏模量的变化关系,并最终给出多级复合材料蜂窝结构平压强度随泡沫杨氏模量的变化关系。另外,在剪切载荷作用下,PMI泡沫的填充增加了面板与芯子的粘接面积,提高了多级复合材料蜂窝结构剪切强度。高刚度PMI泡沫多级相可以用于强化复合材料蜂窝结构的力学性能,然而PMI泡沫近乎绝热的导热性能无助于提高多级复合材料蜂窝结构的导热能力。为此,本文以高导热的石墨泡沫代替PMI泡沫,在保持增强复合材料蜂窝结构的力学性能的前提下,提高复合材料蜂窝结构的导热性能,设计制备出石墨泡沫多级复合材料蜂窝结构,并对其导热性能展开研究。试验结果表明,提高石墨泡沫导热系数可以提高石墨泡沫多级复合材料蜂窝结构的导热系数,增加面板导热系数可以增强石墨泡沫多级复合材料蜂窝结构的导热性能。