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本研究拟采用非共价修饰策略对单壁碳纳米管（SWNT）和石墨烯（GR）进行表面修饰。选择具有生物（化学）活性的乙烯基咪唑聚合物作为修饰（分散）助剂对相应碳纳米材料进行表面修饰，以期在有效改善碳纳米材料分散性的前提下，赋予SWNT和GR生物相容性、化学敏感性等新的性能，并初步探讨了表面修饰后SWNT和GR在生物学和化学传感器等领域的潜在应用价值。通过分子设计结合自由基聚合、化学络合等合成手段，制备了四种带有不同功能侧基的乙烯基咪唑聚合物（VI-polymers）作为SWNT的修饰助剂。研究中，以SWNT在水中的分散量为衡量聚合物助剂修饰效果的指标，从聚合物的分子结构和溶液性质两个方面讨论了不同修饰助剂对SWNT表面修饰效果的影响。结果表明：带电荷的聚合物助剂相对于呈电中性的母体聚合物具有更佳的SWNT表面修饰效果；而针对特定的聚合物助剂，采用适当措施消除/抑制溶液中的胶束形成能够显著提高SWNT在水中的分散能力。优化各项制备参数后，SWNT的水分散液浓度可高达148.9mg·L-1，而聚合物修饰助剂的用量仅为0.06mg·ml-1(~6×10-3wt%)，远低于传统分散助剂－十二烷基磺酸钠（SDS）的常规用量。修饰后的SWNT基本保留了其原有的优异电学性能。小鼠成纤维细胞（L929）的培养实验发现修饰后SWNT还获得了良好的生物相容性。以VI-polymers为修饰（分散）助剂，本研究还发展了一种称为“分散剂辅助液相剥离”的GR制备方法，以天然石墨制备GR。在获取GR的同时，实现了对所得GR的表面非共价修饰。紫外-可见光谱、原子力显微镜和拉曼光谱等测试结果表明，成功实现了高品质水溶性GR的低成本、宏量制备。随后，以修饰后GR的水分散液为原料，采用减压抽滤和热压转移的方法制备了以聚酯（PET）为基底的透明、柔性、导电GR-PET多功能膜。电性能和透光性测试结果显示，厚度为65nm的GR膜在可见光区的透光率仍可达50%以上；80nm厚的GR薄膜（透光率46%）其方块电阻可低至105/sq。同时，GR-PET薄膜还呈现出了良好的韧性和优异的抗弯曲性能。此外，研究发现修饰组分的引入还赋予GR-PET膜化学试剂敏感性。初步研究结果显示，GR-PET膜对饱和水、乙醇、丙酮和乙酸乙酯蒸汽的电信号响应（即电阻的相对变化率－ΔR/R0）分别达到59.1%、18.7%、17.5%和28.4%。实验结果预示，非共价修饰后的GR有望用于制备化学传感器等功能器件。