现代航天航空技术与军事化装备在向轻量化、集成化、多功能化方向转型的同时,亟需满足电子设备对于高效散热以及严苛机械性能的需求。因此,如何设计制备出一种兼具良好热学和力学性能的轻质多功能材料是现今热管理技术领域的热点问题。本文选取聚酰亚胺（PI）作为粘接剂,利用其前驱体水溶性体系和高温固相碳化特性,将相邻的二维纳米片连接起来,使薄膜产生有效的界面连接和强的层间相互作用。结合二维（2D）纳米材料的固有属性和结构优势,设计制备出一种具有良好导热和机械性能的轻质多功能热管理薄膜材料,同时采用分子动力学模拟方法对二维纳米材料/聚酰亚胺复合薄膜的增强机制进行了阐述与分析。为了获得一类新型的兼具高导热和高机械强度的MXene/聚酰亚胺复合薄膜,本文提出二次定向的思路,经化学改性制备出聚酰亚胺前驱体水溶液,实现了MXene与聚合物间的均相复合,经由定向冷冻铸造和热压工艺进行二次定向作用,增强了相邻MXene片与聚酰亚胺间的界面相互作用,制备出堆叠致密有序的MXene/聚酰亚胺复合薄膜。阐述了MXene在聚酰亚胺基体中的增强机理,发现这种互锁结构以及MXene-聚酰亚胺间的强氢键作用增强了片层间的接触面积和摩擦作用,提升了复合薄膜的力学性能,断裂强度达102±3 MPa,是纯聚酰亚胺薄膜的1.4倍。同时,MXene的引入提升了层间的热传输效率,使复合薄膜的面内热导率达到5.12±0.37 W/（m·K）,相比于纯聚酰亚胺薄膜提升了5.7倍。另外,由于MXene与聚酰亚胺之间的协同作用,使复合薄膜具有良好的阻燃性,可以有效地阻止底层材料的燃烧和火焰的进一步传播,提高了设备的使用安全性。为了进一步提高热管理材料的导热和机械性能,本文利用聚酰亚胺的固相碳化特性,引入可进行高温退火处理的氧化石墨烯材料,经定向冷冻铸造、热压氧化预处理、热压碳化和石墨化等工艺过程,制备出具有良好导热性、导电性以及机械强度和柔性的石墨化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜。总结了氧化石墨烯在复合薄膜中的影响机制,发现氧化石墨烯纳米片和聚酰亚胺之间实现了有效的界面接触和强的相互作用,并获得了连续的具有较大微晶尺寸的片层结构,复合薄膜的力学强度提高到142 MPa,是石墨化石墨烯薄膜的5.5倍。同时,二次定向过程促使片层间的堆叠更加致密有序,有利于在层间和界面处实现声子和电子的快速传输,增加了热流和电流的传导速度和扩散路径,促使热导率提升到1467 W/（m·K）,是纯石墨化石墨烯薄膜的1.7倍,电导率提升到1.8×10~5S/m。另外,复合薄膜在弯曲和拉伸状态下均表现出良好的工作稳定性,延长了材料的使用寿命。为了阐述二维纳米材料/聚酰亚胺复合薄膜的力学增强机制,本文基于分子动力学方法,以势函数较为成熟的石墨烯为例,构建出自组装石墨烯/聚酰亚胺模型、自组装石墨烯模型和自组装石墨烯/碳模型,发现模拟计算的拉伸强度理论值与前文实验中测试得到的实际值呈现出一致的增强趋势。同时,针对石墨烯片和聚酰亚胺链间发生的边对边、面对面以及面对边的不同连接形式,构造出石墨烯/聚酰亚胺模型和石墨化后的石墨烯/碳模型,根据所构模型的力学拉伸行为,总结出石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的断裂机制,发现复合薄膜的破坏形式复杂多样,其中当聚酰亚胺采用面对面的方式连接石墨烯片时,模型表现出更高的断裂强度和断裂应变。另外,石墨烯的引入可以快速有效的分散外部载荷,使得材料的承载力增强,同时聚酰亚胺的粘接作用可以有效的增强复合薄膜的界面接触和层间结合作用,两者的协同作用使得复合薄膜的机械强度和机械柔性得到了大幅的提升。