石墨烯具有杰出本征物理性质,在电子器件、能量存储、油污清理、生物载体等领域具有巨大应用潜力,获得了工业界和学术界广泛的关注。实现石墨烯上述领域应用一个非常重要途径是利用其独特物理性质提升聚合物材料的物理性能,如介电性能、力学性能、导电性能等。然而,石墨烯在提高聚合物上述物理性能方面仍存在诸多挑战和困难,如容易聚集、高漏电电流、弱界面作用力、高界面接触电阻等。本文围绕这些问题,为聚合物复合材料针对性设计和制备了二维功能化石墨烯片和三维相互连接的石墨烯网络。研究内容主要分为以下三个方面：首先,为提升聚合物复合材料的介电性能,设计和合成了具有三明治结构的二维氧化钛功能化石墨烯(Graphene-TiO2杂化片和氧化石墨烯包裹的碳纳米管(GO-e-CNTs)杂化片。Graphene-TiO2杂化片不仅拥有高导电的石墨烯基底,而且还有形貌可控的功能化的氧化钛纳米棒。石墨烯为在聚合物复合材料内部构建微电容器网络提供理想的电极材料,氧化钛纳米棒为微电容器网络提供了电介质,并且有效地阻止石墨烯之间的互相接触,抑制了漏电电流。另外,氧化钛引入使得复合材料组分的介电常数呈现梯度分布。因此,Graphene-TiO2/聚苯乙烯的复合材料具有高的介电性能,包括高介电常数和低介电损耗。本文发现可以控制二氧化钛纳米棒的含量调节复合材料的介电常数,为控制复合材料的介电常数提供了一条新路径。GO-e-CNTs杂化片表现出高度稳定溶液分散性,并且拥有高导电碳纳米管的内核和电绝缘的GO壳层,因而,GO-e-CNTs/聚氨酯复合材料表现出高介电常数、低介电损耗、提高的击穿强度和储能密度。其次,为提升聚合物力学性能,设计和合成了二维超支化芳香族聚酰胺功能化石墨烯(GS-HBA)。HBA的功能化不仅提高石墨烯在聚氨酯基体中分散,而且增强石墨烯与基体之间的界面作用力,导致石墨烯和基体之间的力的转移更有效。与水合肼还原的石墨烯、氧化石墨烯和乙二胺功能化的石墨烯复合材料相比,GS-HBA的复合材料表现出更高的弹性模量、屈服强度以及断裂强度,并具有几乎相等的断裂伸长率。另外,本文研究发现石墨烯/聚合物复合材料的力学性能不仅取决于界面相互作用力,还与石墨烯的取向密切相关。例如,Ca2+交联的具有层状结构的氧化石墨烯/聚合物复合材料不仅表现高的杨氏模量、拉伸屈服和断裂强度,还具有高的断裂伸长率。第三,为提升聚合物导电性能,设计和制备了具有三维相互连接石墨烯网络的实心和泡沫复合材料。4.8vol%石墨烯的实心复合材料的电导率高达1024.8S/m,其电导率大幅高于文献报道的相同填料掺量的功能化石墨烯/聚合物复合材料的值。高温热解实心复合材料获得的三维多孔石墨烯框架具有更高的电导率,可作为锂离子电池和超级电容器的电极材料,在能量储存领域具有潜在的应用。泡沫复合材料具有三维二元结构,其中石墨烯均匀地组装在三维聚合物骨架的周围。这种独特的结构设计集合了石墨烯和聚氨酯二者的优点,致使获得的泡沫材料具有高导电性能、高疏水性能、以及杰出力学性能包括压缩,弯曲和扭转。这种三维二元结构设计拓展了石墨烯泡沫研究思路,为制备高性能基于石墨烯泡沫材料提供了一种新的方案。另外,在石墨烯泡沫制备过程中,可掺杂银纳米线,制备出更高电导率的石墨烯-银纳米线杂化泡沫。上述的实心和泡沫复合材料的制备工艺都是基于自组装技术在水相中完成的,具有环保、成本低、可规模化放大等优点。