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本文中分别以离子液体氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑(1-allyl-methylimidazoliumchloride，缩写AmimCl)和γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)偶联剂对石墨烯进行了非共价键和共价键功能化改性，研究了它们在DMF、乙酸丁酯等有机溶剂中的分散性。进一步采用溶液共混和原位溶液复合法制备了功能化改性石墨烯增强的聚氨酯纳米复合材料，并对其微观结构、相容性、机械性能和热力学性能进行了研究。用离子液体AmimCl和水合肼对氧化石墨烯(GO)进行同步处理，一步制备了AmimCl非共价键改性的石墨烯(IL-G)。利用红外光谱、紫外-可见吸收光谱、原子力显微镜和X-射线光电子能谱对IL-G的结构和分散性进行了研究，结果表明：离子液体AmimCl能与石墨烯产生π-π和阳离子-π的相互作用，从而牢固的吸附于石墨烯的表面。同时研究发现IL-G能稳定分散在N, N-二甲基甲酰胺（DMF）、乙酸丁酯等溶剂中，其中在DMF和乙酸丁酯中的最大分散浓度分别可达1.69mg/mL和1.12mg/mL。采用溶液混溶的方法，将IL-G以不同的质量含量添加到聚氨酯(PU)基体中，制备IL-G/PU纳米复合材料。用扫描电镜(SEM)观察了不同IL-G含量复合材料的断面微观形貌，结果显示IL-G呈褶皱状均匀的分散在聚氨酯基体中，并没有出现团聚。同时也观察到IL-G片层与聚氨酯树脂的界面比较模糊，并没有清晰的分界面，表明IL-G与聚氨酯分子链之间存在较强的相互作用，拥有良好的相容性。随着IL-G含量的增加，复合材料的机械和热力学性能都有较大程度的改善。当IL-G增加到0.608wt.%时，复合材料的拉伸强度和导热率比纯PU树脂分别提高了68.5%和34%；失重5%时的温度也提高了近40°C，表明添加少量的IL-G就能高效的改善PU树脂的拉伸强度和热性能。为了进一步改善石墨烯与聚氨酯的相容性，本文先用γ-氨丙基三乙氧基硅烷与GO反应，经水合肼还原后得到功能化石墨烯(KHG)。然后采用原位溶液复合法制备了KHG/PU纳米复合材料。因KHG表面引入了能与异氰酸酯基反应的活性基团，与PU之间可以产生化学键的相互作用，表现出良好的相容性。运用热失重分析仪、X-射线衍射仪、拉伸试验机、差式扫描量热仪等测试手段表征了复合材料的性能，结果表明：含0.2wt.%KHG的复合材料拉伸强度和导热率分别比纯聚氨酯树脂提高了227%和40%，热分解温度提高了近50°C。