“梦幻材料”石墨烯,由于其特殊的单或少原子层二维结构和诸多优异特性,在化学、物理学和材料科学等领域日益展现出它独有的魅力。然而,目前石墨烯及其杂化材料的制备方法仍存在一定的局限,还难以获得结构均匀、性能稳定或功能一致的石墨烯及其杂化材料；此外,有效调控石墨烯的功能特性以满足器件设计的需要也是目前所面临的科学问题。本论文针对石墨烯杂化材料的可控制备和功能调控,提出了一种基于单体阳离子原位插层聚合分离石墨,并一步制备石墨烯／导电聚合物杂化材料的新方法,可拓展石墨烯杂化材料的设计思路,并为深入理解二维受限空间的聚合反应机理、杂化高分子的结构控制和功能调控等奠定学术基础。本论文采用实验研究与模拟计算相结合,详细论证了阳离子预插层石墨作用机理、插层聚合分离石墨的相关机理以及石墨烯杂化结构的电磁功能调控机制,可为石墨烯的功能调控及应用研发提供理论基础和设计思路。1.利用苯胺的原位插层聚合,能够有效剥离膨胀石墨,并得到少层石墨烯／聚苯胺杂化结构。进一步研究发现,杂化材料中聚苯胺N原子与石墨烯π电子之间存在强杂化作用。通过改变相应的加料顺序,对照研究了苯胺单体及阳离子化的苯胺单体对膨胀石墨的插层剥离效果。由苯胺阳离子浓度及盐酸体积的梯度实验结果总结发现,当苯胺阳离子浓度在0.10-0.12 mo1/L范围内时,能够更有效地引发原位插层聚合并分离膨胀石墨。2.采用天然石墨为原材料,利用苯胺阳离子的原位插层聚合,也能够得到均一稳定的少层石墨烯／聚苯胺杂化结构。对天然石墨层间聚合过程产物进行了详细研究,并结合第一性原理模拟计算对石墨片层分离的相关机制进行了系统研究。利用Gaussian09对照了苯胺单体与苯胺阳离子的电子局域函数。结果表明,苯胺阳离子上的N原子具有更强的电子离域性,更容易与石墨片层上的π电子发生相互作用。利用Materials Studio下的Dmol3模块优化得到了双层石墨烯插层结构的稳定构型,从理论上证实了苯胺阳离子能够有效插层石墨烯。结合模拟计算及实验结果,提出了基于单体阳离子原位插层聚合分离石墨的普适性方法。3.采用与苯胺类似的导电聚合物单体—吡咯,对相关插层聚合分离石墨的普适性方法进行了验证。采用了氧化石墨代替天然石墨及膨胀石墨作为初始碳材料,研究了吡咯阳离子在氧化石墨层间的原位聚合反应。研究发现,原位插层聚合反应能够有效地分离氧化石墨片层,并形成高度褶皱氧化石墨烯／聚吡咯三维杂化结构。分析认为,聚吡咯与氧化石墨烯表面及层间-COOH基团之间存在多重杂化作用并形成强极性CO…HN杂化基团。4.原位插层聚合制备得到的插层杂化结构可以带来显著提升的微波损耗特性。研究发现,石墨烯／聚苯胺杂化材料在2-18 GHz下表现出显著提升的电磁损耗特性,其中在10.3 GHz下,RL曲线最低点达到了-36.9 dB,RL曲线位于-10 dB以下的频段区域可以达到5.3 GHz(从8.2到13.5 GHz);氧化石墨烯／聚吡咯三维杂化材料PPy/GO也表现出良好的微波损耗特性。其RL曲线最低点达到了-58.1 dB(12.4 GHz),且-10 dB以下的损耗带宽高达6.2 GHz。基于相关电磁学参数及结构表征结果的分析,提出了基于插层杂化作用和三维极化网络两种微波损耗增强机制。5.为进一步调控插层杂化、三维极化网络以及相应的电磁特性,在插层杂化材料中引入了纳米金刚石。发现纳米金刚石的团聚及在石墨烯表面的密集分布会严重制约石墨烯／纳米金刚石／聚苯胺三元杂化材料的微波损耗特性。在此基础上,提出了一种基于苯胺阳离子原位聚合分散纳米金刚石的新方法,并成功制备得到了均匀分散的纳米金刚石／聚苯胺杂化结构并系统研究了纳米金刚石／聚苯胺杂化结构的电磁学性能。