炭石墨材料是我国国民经济的重要基础产业。因其自身具有优良的自润滑、耐腐蚀、导电/热性、热稳定性等独特性能,被广泛应用于航天、航空、能源、冶金、汽车等核心领域。然而炭石墨材料存在典型的“多相、多孔、多组分”非均质特点,区别于历经熔融再二次结合的均质材料。此外,在炭石墨材料的制备过程中伴随着应力释放、粘结剂相热解缩聚反应,导致低分子量气体参与反应作为产物逸出基体,使得材料内部产生大小不一、位置随机的孔隙和不规则裂纹缺陷。同时苛刻的服役工况也易导致炭石墨材料中先天性微裂纹缺陷的扩展。目前,调控炭石墨材料的微结构,尽量抑制其内部缺陷,实现骨料相与粘结剂相的匹配是相关研究的热点和难点之一。针对现有的炭石墨材料存在的结构-功能难一致化、力学和摩擦学性能不能同步提升的缺陷,本文以沥青基炭石墨材料和树脂基炭石墨材料为研究对象,以“结构设计-制备方法-力学、摩擦学性能测试-微结构表征分析-机理阐明”为研究主线。采用磺化石墨烯自身二维结构作为不同炭相间的连接“骨架”,以其自身携带的磺酸基团作为连接炭材料的“支链”,在增强相骨料炭和基体相粘结剂间构建“骨架-支链”新结构。并阐明了新结构对炭石墨材料微结构、力学与摩擦学性能的影响及作用机制。主要研究结论如下:(1)采用热挤压和一次焙烧工艺制备得到区别于传统数次浸焙工艺所得的沥青基炭石墨材料。研究发现,磺化石墨烯的引入有效提高了沥青基炭石墨材料内部结构致密度和表面完整性,尤其当磺化石墨烯添加量为1wt%时,沥青基炭石墨材料的抗折强度、抗压强度、样品表面弹性模量分别是原材料的2.6倍、2.4倍、5倍左右,复合材料抗氧化失重性能明显优于未添加磺化石墨烯的样品,将其氧化分解温度提高了 90℃,同时摩擦系数降低了 1倍左右。(2)采用先天造孔、后天浸渍磺化石墨烯及二次固化工艺制得新型树脂基炭石墨材料。结果表明,磺化石墨烯可以将材料的载流磨损电火花等级由11/2-2级降低为1-11/4级,同时载流磨损率由0.32mm/h降至0.14mm/h,提高树脂基炭石墨材料近1.3倍的使用寿命。原子力显微镜测试结果表明,磺化石墨烯将材料微区弹性模量提高了 1.5倍,同时提高了材料微观结构的整体性和一致性。(3)研究了磺化石墨烯对沥青基炭石墨材料和树脂基炭石墨材料力学、摩擦学性能影响。研究表明,磺化石墨烯依托自身结构及表面所带官能团,在增强相骨料炭和基体相粘结剂间的构建了“骨架-支链”新结构。新结构有效的抑制了炭石墨材料内部结构缺陷的生成及扩展,并协助炭石墨材料磨损面形成“鱼鳞型”递进状的摩擦膜,实现了炭石墨材料力学和摩擦学性能的同步提升。