聚合物基导热材料作为热管理材料有效减小了热量从目标热源向散热部件和外部环境传递过程中的热阻,帮助新技术发展突破热瓶颈限制。本文针对当前聚合物基导热材料研究缺乏对经典填料表面工程方法的系统认识,而且存在聚合物基体本征导热系数过低,导热理论模型泛化能力不足,导热材料性能标签数据稀缺等问题,通过理论和实验相结合的方式对新导热材料类型、新填料表面工程方法和新导热预测模型进行了创新的科学探索。首先使用热阻网络模型分别对聚合物基体、导热填料的导热系数以及填料网络结构对复合材料导热性能影响进行数值计算分析研究,明晰了聚合物基体对复合材料导热性能的贡献,并佐证了复合材料导热通路理论,为复合材料导热机理解释和高性能聚合物基导热材料设计提供理论基础。随后合成了液晶环氧树脂,并使用DSC热分析技术确定固化工艺为170℃/2h+190℃/1h。相较普通环氧树脂,固化后的液晶环氧树脂导热系数提升了32.6%,成功提高热固性树脂本征导热性能。通过对由液晶环氧树脂制备的新型导热材料进行性能表征,实验验证了基体导热系数对复合材料导热性能的影响,并丰富了液晶环氧树脂基导热材料性能研究。为了健全对经典填料表面工程方法的系统认识,使用溶液凝胶法制备了具有不同包覆厚度的氮化硼（BN）改性填料,并以环氧树脂/BN复合材料体系为例,系统研究分析了影响经典填料表面包覆改性工程导热强化效果的因素和机理。发现增加填料含量将降低经典填料表面工程导热强化效果新现象,并以此提出有效填料体积分数新概念。在有效填料体积分数内,经典填料表面包覆改性工程通过增强填料-基体界面作用,改善填料分散结构实现导热强化效果。但是经典填料表面包覆改性工程存在包覆层材料导热系数过低的技术缺陷,使得填料-基体和填料-填料之间皆存在较大的界面热阻。随着填料含量增加,填料导热网络逐渐成为影响复合材料导热性能的主要因素,而改性填料之间的界面热阻将弱化填料导热网络的传热能力。因此增加包覆厚度和填料含量都将减小经典填料表面包覆改性工程的导热强化效果。减小包覆厚度可以提高改性填料网络的传热能力,扩大有效填料体积分数,但上限不超过填料的最大随机堆积体积分数。随后针对经典填料表面工程的技术缺陷进行改进,提出了无电沉积填料表面工程新方法。新表面工程方法使用具有高导热系数的铜纳米颗粒对导热填料进行表面改性,使得改性填料具有良好导热性能并能通过铜纳米颗粒有效桥接导热填料,实现加强填料间相互作用,减小填料间界面热阻。当填料体积分数从5%增加至15%时,无电沉积填料表面工程的导热强化率从8.45%提高到35.32%。新表面工程方法显著促进填料导热网络的形成,并提高填料导热网络的传热能力。因此填料含量越高,填料导热网络结构越完善,使用无电沉积填料表面工程的导热强化效果越好。无电沉积填料表面工程为设计制备高性能聚合物基导热材料提供了新的方法与思路。最后应对导热理论模型泛化能力不足,导热材料性能标签数据稀缺的现状,设计了协同训练式半监督人工神经网络模型（Co-ANN）对掺杂BN的聚合物基导热材料进行导热性能预测建模。使用人工神经网络模型（ANN）充当学习器和回归器,通过单视角协同训练方法对导热材料无标签数据进行半监督学习。相较基于监督学习获得的最优ANN模型,测试结果中基于半监督学习获得的最优Co-ANN模型在标签数据全集上的MSE、AARD%和R~2改善率分别为20.22%,22.24%和0.74%,成功提高了模型的回归预测性能,可在导热材料设计阶段为其提供有益的指导设计作用。本文研究工作深化了基体、填料、界面与结构对复合材料导热性能影响的系统理解,从聚合物基导热材料的设计、制备、分析与预测等环节进行了创新工作,对高性能聚合物基导热材料的开发具有理论指导意义和实验价值。