石墨烯具有很多优异的特性,但是原子薄层的石墨烯单独使用会面临诸多限制,所以与其他材料进行复合可以有效扩大其应用领域。另一方面,结合石墨烯的优异性质,被复合材料会出现一些新的性质或者改善已有的特性。目前,很多努力致力于复合材料方面的研究,比如通过旋涂以及生长的方式将石墨烯覆盖在绝缘物表面以实现导电性,然而在实际应用中,这些表面的石墨烯极易遭到破坏,比如物理划伤造成缺陷以及破损,失去石墨烯所赋予的优异性质。还有一些研究包括将化学方法获得的石墨烯片与陶瓷或者聚合物进行共混,但是在制备石墨烯片过程中剥离以及还原等手段会不可避免的对石墨烯造成破坏,使石墨烯的优异性能大打折扣。为了在这些传统结构材料内部构筑高质量的石墨烯,我们必须在纳米尺度进行重新设计。化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)被认为是有效制备高质量石墨烯的方法,采用直接生长的方式可以避免石墨烯混合过程所带来的质量以及分布问题等弊端,大大简化复合材料的制备过程。利用这种先进的方法我们可以在绝缘材料内部构筑高质量石墨烯。本论文主要以高质量石墨烯复合材料制备为出发点研究了以下两种复合材料:(1)石墨烯复合高岭土。由于高岭土材料表面无法生长石墨烯,所以为了与这类结构材料进行高质量石墨烯复合,我们利用了金属镍颗粒生长石墨烯过程的偏析性质,使石墨烯在镍的辅助下二次生长,并完成三维交联。经过这些制备过程后,复合材料内部由于交联石墨烯提供了连续的电荷转移路径,表现出良好的电导以及焦耳热效应。除此之外,由于内部高质量石墨烯的构筑,复合材料表现出良好的疏水性,利用这些特性,我们将其作为热功能器件,在低能耗下表现出良好的加热速率,并且具有极高的稳定性。(2)石墨烯复合三氧化二铝颗粒。考虑到绝缘基底直接生长石墨烯的劣势,我们采用金属辅助催化在三氧化二铝颗粒表面生长强粘附作用的石墨烯层,利用化学气相沉积法,我们实现了绝缘基底表面大面积均匀以及高质量石墨烯的生长,生长完石墨烯后经过密实化过程,石墨烯可以作为稳定的分散相完成与三氧化二铝的复合。值得注意的是,此时复合材料中石墨烯作为稳定的均匀分散相占据复合材料内界面以及表面。经过复合后,块体材料具有增强的力学特性以及优异的导电性,并且由于内部的石墨烯,复合材料还具有良好的抗机械破坏性以及耐高温性质,这都得益于高质量石墨烯的均匀内部分布。