利用溶剂热法制备了纳米钛酸钡(BT)负载还原氧化石墨烯(RGO)纳米粒子(RGOBT)。透射电子显微镜照片显示BT纳米粒子直径为20~30nm。采用叔丁基二甲基氯硅烷(TBS)预处理保护4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐(DAR)后再与对苯二甲酰氯冷凝聚合制备聚亚苯基苯并二噁唑(PBO)前驱体(TBS/prePBO),并通过溶液浇注法及逐步升温关环热处理两步法制备了RGO-BT/PBO三元复合材料薄膜。当RGO-BT质量分数达到10%时,复合材料膜的拉伸强度和杨氏模量较纯PBO薄膜的相应值分别提高84%和200%。高介电BT纳米粒子和RGO纳米薄层界面极化的协同作用可大幅提高复合材料的介电性能。当RGO-BT的质量分数为10%时,复合材料介电常数为纯PBO介电常数的近15倍,未来此种高介电材料有望作为耐高温高储能密度材料用于极端环境下的紧凑储能元器件中。