2004年单原子层石墨烯的成功分离开启了纳米材料发展的新时代,石墨烯凭借独特的结构和优异的性质迅速获得科学界的青睐,成为当下最具前景的先进材料之一。石墨烯及其衍生物由于具备优异的力学、电学、光学等特性而被广泛应用于光热转换材料、智能穿戴器件和柔性储能器件等领域。而且伴随着人们对功能性材料越来越高的需求,关于石墨烯及其衍生物的相关研究日趋火热。将石墨烯作为纳米增强组分复合入聚合物,能有效改善聚合物的机械、电、热等性能,现已成为聚合物基纳米复合材料的研究热点,在能量储存、电子器件、生物材料和传感材料等领域展现出广阔的应用前景。然而,受制于石墨烯剥离与分散极为困难的技术难题,石墨烯纳米复合材料的加工通常分步进行,即先制备高质量石墨烯,再进行石墨烯与聚合物的复合加工。传统加工方法普遍存在化学试剂大量使用、产量低、成本高、周期长等技术缺陷,目前鲜有加工手段能同步实现石墨烯的高度剥离并均匀分散于聚合物基体中。本文创新性将蒸汽爆破效应引入体积拉伸形变主导的聚合物熔融混炼过程,首次提出了一种基于系列爆炸效应原位剥离分散工业级膨胀石墨（EG）制备石墨烯纳米复合材料的新方法。基于合理假设的基础上,建立了基于体积拉伸形变的循环密炼过程的数学物理模型,获取了叶片密炼单元内的压力分布与速度分布,揭示了加工过程的体积脉动特性;利用数值模拟和熔体压力实时采集相结合的方式对密炼单元内部流场特性、熔体压力脉动等进行多角度论证,探明了熔体交替压缩-释放流动行为及其影响机制。利用EG作为水载体而将自由水引入体积拉伸形变主导的熔融密炼中,超快速地原位剥离和同步分散EG,制备出石墨烯增强的HDPE基纳米复合材料。结果表明:蒸汽爆破协同交替压缩-释放流动（SEACDF）引发的系列爆炸效应显著提升了EG的剥离分散效果,在4 min内将EG高度剥离成少层石墨烯纳米片（GNS,最薄可达1.4 nm）并同步均匀分散于基体中;这些薄层GNS具有超强异相成核作用,大大提高了HDPE结晶能力和本征有序性;大量均布GNS产生的搭接作用和大量基体微晶提供的桥接作用在复合材料内部共同构建完善三维热传导网络,大幅提升材料热传导和光热转换能力。探索了自由水蒸汽爆破的引发对加工流场的依赖性,研究结果发现剪切流场无法有效引发蒸汽爆破,其内部自由水只起增塑作用,引入自由水和大幅度延长密炼时间只能稍微改善EG剥离分散效果,但效果依然极差;体积拉伸流场提供的交替压缩-释放流动很好地对应了蒸汽爆破的建压-释压过程,使得蒸汽爆破效应得以循环地高效引发,大大加速EG的破碎、剥离和分散。同时采用熔体压力实时采集、元素位置示踪等手段进一步探究了蒸汽爆破的引发机制和自由水状态演变,结果表明自由水在压缩区携带大量“Na+”和“Cl-”离子进入EG内部并建起高压环境,在释放区则发生急剧蒸汽膨胀而诱使腔室压力大幅下降并出现负压,最终导致两种离子随机分布于熔体中。探究了加水方式、转子转速、加工温度、密炼时间、自由水含量等工艺参数对SEACDF过程的影响,获取了工艺参数-制品性能影响机制和最佳工艺参数组合。研究结果发现:内加水方式可以大大加速EG剥离,使其剥离更彻底、分散更均匀,试样具有更高的拉伸性能、结晶度和热导率;转子转速严重影响EG的剥离分散过程,过低易导致流场强度过弱,过高则无法引发有效蒸汽爆破,使得试样在30 rpm时获得最佳剥离分散效果、更高结晶度和热导率;加工温度对SEACDF过程的影响取决于体系内EG含量,低含量体系最适宜加工区间为170～180℃,而高含量体系则为180～190℃;延长密炼时间明显提升EG剥离程度,但过长会导致剥离GNS的横向尺寸和分散性降低,高含量体系在4 min时获得最高结晶度、热稳定性和热导率;增大自由水含量明显提升EG剥离程度,过低无法引发有效蒸汽爆破效应,过高则会过度增塑熔体而降低GNS分散性,在水和EG的质量比为9:1时产物获得最佳剥离分散效果和宏观性能。SEACDF方法成功实现利用工业级廉价石墨一步熔融共混制备出高性能石墨烯纳米复合材料,展现了极大先进性和应用潜力,且整个加工过程免化学试剂、无污染、经济高效,十分契合高分子材料产业的低耗高效、绿色环保、高值化发展大背景,有助于推动我国高分子基纳米复合材料加工技术及装备的发展。