石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，它具有极佳的力学性能以及优异的导电和导热性能，用其作为纳米填料对聚合物基体进行改性有望得到高性能的聚合物基复合材料。但是到目前为止，如何大规模制备高质量石墨烯，如何提高石墨烯与聚合物基体之间的界面相容性，如何开发新型多功能聚合物/石墨烯复合材料以及石墨烯基宏观材料等方面都存在着诸多有待解决的问题。本学位论文对上述这些制约石墨烯及其复合材料研究和应用的因素进行了有针对性的研究，具体研究内容及结果如下:　　(1)在石墨烯制备方面，提出了一种新颖的低温常压热化学剥离工艺，它不需要任何特殊环境就可以实现氧化石墨在低温下的有效剥离。其具体过程是:在氧化石墨的制备过程中引入了易挥发物质氯化氢(HCl)，在后续的热剥离过程中HCl受热挥发膨胀产生一个额外的内压力，促使氧化石墨片层在常压下的剥离温度最低可降至130℃，所得到的石墨烯结构与其它热膨胀石墨烯类似，并且具有高比表面积、高电导率的特点。　　(2)为了研究熔融共混是否可以直接原位增强石墨烯和聚合物之间的相互作用，选择聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)作为研究对象，首次考察了熔融共混对石墨烯和聚合物之间相互作用的影响，并且讨论了两者相互作用的机理。结果表明熔融共混可以诱导石墨烯与PS分子链产生非共价键π-π相互作用，而熔融共混也可以诱导石墨烯与PC分子链发生类似酯交换的化学反应从而产生共价键作用，并且相互作用随着共混时间增加而增强。　　(3)在石墨烯改性方面，首次将超声接枝引入到石墨烯改性中，利用超声的空穴作用使聚合物分子链(PVA)在溶液中产生自由基，并原位地接枝到石墨烯表面，这种方法与传统的方法相比具有简单易操作的优点;另外，利用环氧分子链中环氧基团与氧化石墨烯表面羧基在催化剂作用下的简单反应，首次成功地将环氧分子链接枝到氧化石墨烯表面，并提出利用环氧分子链与聚合物基体(PC)在热处理条件下存在的化学反应来增强石墨烯与聚合物的界面相容性，从而提高其力学性能。　　(4)在石墨烯表面原位地生成Fe3O4纳米粒子，得到出具有超顺磁性的Fe3O4功能化石墨烯(G@Fe3O4);为了避免超临界CO2发泡技术的不足，采用水蒸气诱导相分离工艺成功制备出以G@Fe3O4填料、含量高达10 wt％的轻质高性能聚醚酰亚胺(PEI)复合微发泡材料。由于石墨烯和Fe3O4纳米粒子的介电损耗和磁损耗，以及泡沫中泡壁的多次反射作用，所制备出的PEI/(G/Fe3O4)复合微发泡材料具有优异的电磁屏蔽性能，且屏蔽机理以吸收为主;另外，所制备的泡沫也具有超顺磁性以及优异的隔热性能。　　(5)从氧化石墨烯出发，成功制备了具有高导热和高电磁屏蔽性能的石墨烯膜。为了简单有效地制备出大面积氧化石墨烯膜，首先提出了缓慢蒸发成膜的方法，即将充分剥离的氧化石墨烯水溶液铺展到特定的基底上并进行加热缓慢蒸发成膜的过程。为了尽量分解氧化石墨烯膜的含氧基团并对其结构缺陷进行修复，将所得的氧化石墨烯膜进行了2000℃石墨化处理，最后所得的石墨烯膜结构和石墨结构很相近，并且具有很高的电导率、电磁屏蔽效能、热导率以及很好的柔韧性。