由于电子元器件微型化、小型化的趋势日益加强，对高介电材料的要求越来越高，传统高介电材料已成为制约电子器件发展的关键因素之一。近年来，聚合物电介质复合材料以其独特的优势成为电介质材料领域研究的热点。由于多数聚合物材料的介电常数较小，通常需添加高介电或者高导电的填料才能实现高介电常数复合材料的制备，尤其是纳米碳材料/聚合物复合材料在新型电子材料的研究中备受关注。本文选用聚酰亚胺（PI）为聚合物基体，以二维石墨烯、石墨片，一维碳纳米管，零维碳微球为填料，系统研究了导电填料的类型、表面结构、含量和极性对于复合材料热稳定性、力学性能、电学性能的影响。主要成果如下：以三类纳米碳材料为填料，分别采用EA、XRD、 Raman和TEM对三类碳材料的成份、结构以及形貌进行了表征；采用超声分散-原位复合的方法制备了相应的纳米碳材料/聚酰亚胺（nano-C/PI）复合薄膜，系统研究了填料在基体中的分散状态。通过热失重分析（TG）、动态机械热分析（DMA）、万能材料试验机和精密阻抗分析仪等研究了三类填料对于PI复合薄膜热稳定性、力学性能和电学性能的影响。结果表明，填料在基体中以片层状态均匀分散，对于具有不同还原程度的二维石墨烯与PI的复合薄膜，在填料掺杂量相同的情况下，复合材料介电常数随着填料还原程度的增加而增加，同时渗流阈值也逐渐减小。此外，由部分还原石墨烯（H-RGO）制备的复合薄膜，耐热稳定性提高30℃，由石墨烯制备的复合薄膜拉伸强度提高38%。N型石墨片掺杂的复合薄膜热稳定性、力学强度均得到提高，介电性能对于频率依赖性小。P型石墨片的掺杂使基体转变为导电材料，当填料含量为10%时，电导率可达3.64*10-2S/m。将三种维数的填料改善PI基体介电性能进行对比，结果表明，在同等量掺杂下，具有高比表面的石墨烯对于聚合物介电性能的改善最为优异。