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石墨烯自发现以来，其热学、电学、力学、光学等物理性质得到了深入的研究，为其在热管理、传感器、力学增强、透明导电薄膜、储能等领域的应用提供了基础。单层石墨烯的热导率高达5300W/mK，是目前热导率最高的材料，超过铜热导率的10倍。同时，石墨烯具有与铜可比拟的导电性。石墨烯高热导率和高电导率的特点使其在复合材料领域受到了极大的关注并表现出巨大的应用前景，其中在聚合物基复合材料方面，石墨烯作为功能性填料可以赋予复合材料优异的导电、导热性能。本论文系统研究了天然橡胶中石墨烯导热和导电网络的设计构建，并探索了其在导热复合材料和应变传感器中的应用。取得的主要结果如下: (1)设计制备了具有高热导率的定向排列石墨烯纳米片/石墨烯泡沫/天然橡胶(GNs/GF/NR)复合材料，在低石墨烯添加量的情况下获得了显著的导热增强效果。在石墨烯(GNs和GF)含量仅为6.2vol％时，面内热导率高达10.64W/mK，垂直热导率高达3W/mK。相比于纯的天然橡胶，室温下热导率提升率(TCE)为8100％，单位体积百分比石墨烯的热导率提升率(specific TCE)高达1300％，为目前报道的最高值。同时，与以往的研究报道对比，发现了在低石墨烯含量下(6.2vol％)，GNs/GF/NR热导率具有渗阈现象，热导率急剧增加。进一步研究发现，定向排列的石墨烯纳米片和三维连通的石墨烯泡沫具有协同效应，是形成导热渗阈网络的关键，从而显著提升了GNs/GF/NR复合材料的热导率，面内协同效应高达127％，垂直协同效应高达233％。在此基础上，将高导热GNs/GF/NR复合材料应用于高功率发光二极管(LED)，表现出显著的散热效果。与纯的天然橡胶相比，GNs/GF/NR作为面内散热材料，使LED温度降低了29.8℃，作为热界面材料使LED温度降低了14.9℃。以上结果表明高导热GNs/GF/NR复合材料在电子器件散热领域具有重大的应用前景。 (2)通过控制硫化条件，实现了具有不同玻璃化转变温度(Tg)的GNs/GF/NR复合材料的可控制备。发现石墨烯纳米片在橡胶基复合材料中存在应变滑移的运动，研究了不同Tg下这一运动对导电网络结构变化产生的影响，在此基础上制备出了具有超高灵敏度且应变可控的可拉伸复合材料应变传感器。其最高灵敏度可达23022，与之对应的最大应变为100％;最大应变可达230％，与之对应的灵敏度为714。系统地研究了具有不同Tg的复合材料电阻变化率与应变的关系。结果表明，Tg越低，GNs在应变下倾向于相互搭接，增加了导电通路，从而使电阻变化率与应变关系曲线的斜率越小，GNs/GF/NR传感器的应变范围越大;Tg越高，GNs在应变下更倾向于直接分离，GNs/GF/NR传感器的应变范围越小。将高灵敏度大应变高信噪比的GNs/GF/NR应变传感器用于人体运动监测，发现其能够覆盖从小幅度的手腕、手指弯曲到大幅度的手肘和膝盖弯曲监测，能准确反映出运动的大小程度;进一步将该传感器应用于机器人远程控制，结果显示机器人的手肘弯曲和手臂运动能与人的动作同步，显示出其在人体运动监测、电子皮肤、智能材料等领域的良好应用前景。