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本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种纳米粒子填充聚合物纳米复合材料及其制备方法。本发明利用具有特定化学组成的无规共聚物修饰纳米粒子，将修饰的纳米粒子填充至基体高分子材料中，粒子表面吸附的无规共聚物可以屏蔽纳米粒子与基体高分子材料的吸附作用，同时增强无规共聚物与基体高分子材料之间拓扑相互作用，从而减弱粒子填充对高分子材料的流变行为的影响程度，提升纳米粒子填充聚合物纳米复合材料的加工流动性，便于复合材料的加工和成型。通过与硅烷偶联剂改性纳米粒子复合材料流变行为对比，本发明提供的纳米复合材料的流动性得到更显著的提升，主要体现为复合材料的有效缠结分子量较大、平台模量较低和末端松弛时间缩短等方面。