随着环境污染问题越来越受到重视,钢铁材料大规模被高分子材料替代,研制绿色环保、性能优异的高分子材料需求越发迫切。聚丙烯(PP)无毒、无臭、无味,但其仍具有强度不足、缺口敏感性高、成型收缩率大等不足。石墨烯(GNPs)具有超强的力学性能,但研究尚处于起步阶段。为了改善PP的力学性能和加工性能,推广GNPs的应用和丰富GNPs的理论体系,本文利用不同尺寸的GNPs制备了三种不同体系的石墨烯/聚丙烯纳米复合材料,实验测试了复合材料的力学性能和流变行为,并系统分析了GNPs对于PP的增强增韧机理。结果如下:GNPs的加入使得复合材料的综合力学性能有了明显的改善。复合材料的拉伸强度和拉伸弹性模量随着GNPs含量的增加而呈现先增加后趋缓的规律,拉伸断裂伸长率随着GNPs含量的增加而减小。发现,片层较少、比表面积较大的GNPs对复合材料的拉伸性能增强效果要更优,杂质的存在会明显降低复合材料的拉伸性能。在相同GNPs含量下,层数越多、厚度越厚的GNPs对复合材料的冲击性能增强效果更好。冲击断面形貌SEM可以观测到GNPs在PP基体中分散比较均匀,并未出现明显的团聚现象。PP的流动性并未因GNPs的加入变差,复合材料熔体的剪切黏度出现了略微的下降。GNPs的加入会使复合材料熔体的挤出胀大比减小,这样有助于改善材料加工成型中的收缩变形。引入界面层强度因子,建立了GNPs增强聚合物复合材料的拉伸弹性模量模型和拉伸强度模型,综合考虑了GNPs尺寸和界面层强度对于复合材料弹性模量和拉伸强度的影响,更加真实地反映了GNPs增强聚合物的物理环境,并且通过验证证明了模型能够较好地描述石墨烯对于聚合物的增强规律。在增强理论中,界面层强度是GNPs增强PP的关键因素,同时GNPs在复合材料中也起到了一定的骨架作用。对于增韧理论,高比表面积的GNPs与PP所形成的界面层、在断裂过程中GNPs从PP中桥接拔出和诱导裂纹偏转以及冲断过程中形成的大量微裂纹及其引发的多重银纹效应共同作用构成了GNPs增韧PP的理论。本研究成果可望为拓宽PP的应用领域、推动石墨烯的市场化、丰富石墨烯的研究理论体系做出贡献,同时为高分子复合材料的设计和应用提供理论指导。