石墨烯是一种由碳原子以SP~2杂化轨道组成的蜂窝状二维结构材料。石墨烯具有髙导热性、髙透明度、髙强度和大比表面积等优异特性,使其在电子、能源、材料、航空航天等领域具有广泛的应用前景。本文首先以鳞片石墨为研究对象,寻找高效、绿色的石墨烯与改性石墨烯的制备方法,并对其结构与性能进行表征与测试,将其作为纳米填料与聚合物基体进行复合,研究其对聚合物复合材料的导热、力学性能等方面的增强效果,最后将其与金属氧化物复合制备电极材料拓展其应用领域。首先,采用氧化插层和高温膨胀法,以鳞片石墨作为原料,六氯铂酸铵作为插层剂,浓硫酸与浓磷酸作为辅助插层剂,经过氧化插层制备插层石墨（IG）,再将其经高温热膨胀制备厚片石墨烯（TSG）,运用FT-IR、XRD、SEM以及TEM对TSG结构与形貌进行表征,结果表明:经氧化插层和高温膨胀制备的TSG实现了胺功能化、具有较大的层间距、完整的六元石墨烯环结构、蠕虫状多孔结构以及与石墨烯类似的薄层石墨烯片结构。其次,采用熔融共混法,以TSG作为纳米填料,将其分别与LLPDE和PPR进行熔融复合,制备高性能TSG/LLDPE和TSG/PPR复合材料。分别运用XRD、SEM、DSC、POM以及力学性能测试对复合材料结构、形貌、结晶性能以及力学性能进行表征:结果表明:在熔融复合过程中,实现对TSG的熔融插层,当TSG含量为0.1%时,TSG/LLDPE表现出良好的结晶性能（高结晶度31.5%）以及优异的复合材料力学性能(拉伸强度（17.1MPa）、弯曲模量（144.3MPa）和冲击强度(58.0kJ·m-2)),相比于纯LLDPE基体分别提升了10.4%、21.0%和6.6%。0.1%TSG/PPR复合材料同样表现出良好的结晶性能（高结晶度50.4%）以优异的力学性能(拉伸强度（19.9MPa）、弯曲模量（278.9MPa）、冲击强度(81.2k J·m-2)),相比于纯PPR基体分别提高了7.7%、16.7%和0.7%。继而,采用机械化学法,以TSG作为原料,1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM][PF6]）离子液体作为功能化改性剂与剥离辅助剂,制备离子液体功能化多层石墨烯（MG-2IL）。运用FT-IR、XRD、XPS、SEM、TEM、ESD以及水接触角对MG-2IL结构、形貌以及润湿性和分散性进行表征。结果表明:经机械剥离及IL功能化改性,MG-2IL表面有大量的IL通过化学键与石墨烯片层连接,具有丰富的活性官能团,表现出更大的层间距、更加粗糙的表面、更加良好的分散性以及较完整的石墨烯结构。采用熔融共混法,以制备的MG-2IL作为导热纳米填料,将其与PERT进行熔融复合,制备出MG-2IL/PERT复合材料。运用XRD、DSC、SEM、综合力学性能测试、Hot disk以及红外热成像对复合材料结构、断面形貌、力学以及导热性能进行表征。结果表明:MG-2IL/PERT复合材料表现出优异的力学性能和导热性能(拉伸强度（18.39MPa）、弯曲模量（308.7MPa）、(导热系数λ=0.492 W·m-1·k-1)),相比于PERT分别提升了18.1%、16.3%和61.3%,并且IL功能化改性有效的解决了过量TSG在基体树脂中团聚现象,提升填料与基体树脂的相容性与分散性。最后,采用一步KMn O4辅助水热剥离法,以热膨胀石墨作为原料,KMn O4作为氧化剂,在完成石墨烯纳米片剥离的同时实现Mn O2纳米片负载。制备出花球状Mn O2/石墨烯（Mn O2/G）复合材料。运用XRD、XPS、TG、SEM、TEM、EDS、BET以及电化学测试对Mn O2/G复合材料结构、形貌以及电化学性能进行表征。结果表明:Mn O2/G复合材料表现出花球状形貌、石墨烯纳米片表面高含量的蜂窝状Mn O2纳米片负载、高的电容含量(500F·g-1)、优异的倍率性能、较高的电容保持率（85.3%-5000cycles）以及高的能量密度(14.0Wh·kg-1)等优异性能。