石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料。

石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。

石墨烯很難作為單一原料生產某種產品，而主要是利用其突出特性與其它材料體系進行復合．從而獲得具有優異性能的新型復合材料。

圖 石墨烯基復合材料的結構示意圖

石墨烯負載的復合材料是在石墨烯表面引入第二組分并在其表面進行外延伸展得到的。

石墨烯包裹的復合材料是用石墨烯片將第二組分包裹得到的，可以更有效地防止第二組分的聚合。

石墨烯內嵌的復合材料是將石墨烯納米片作為填充物充分分散在第二組分的基體相中得到的。其中基體相可以是納米材料，也可以是塊體材料組成。

石墨烯層狀復合材料是將第二組分和石墨烯片交替堆積而成，該結構可以使石墨烯與第二組分的接觸面積最大化，并有利于電子的產生、傳輸和分離。

石墨烯具有諸多優異的性能，如導電導熱性好、韌性好、比表面積大等等，這些性能使得石墨烯基復合材料呈現出許多優異的特性。如以石墨烯為載體負載納米粒子，可以提高這些粒子的催化性能、傳導性能；利用石墨烯較好的韌性，將其添加到高分子中，可以提高高分子材料的機械性能和導電性能。按第二組分的不同，可將石墨烯復合材料分為石墨烯-納米粒子復合材料、石墨烯-聚合物復合材料和石墨烯-碳基材料復合材料。

納米粒子其獨特的物理化學性質引起納米科學工作的極大興趣，但尋找合適的載體成為納米粒子廣泛應用的一個難題。石墨烯與其他碳材料（碳納米管、富勒烯等）相比，表現出優異的電學、光學等物理化學性質，以及有較低的制備成本，使得石墨烯成為了納米粒子的潛在載體。由于片層間范德華力的作用, 石墨烯往往存在著不可逆的團聚現象，而存在于石墨烯層間的納米粒子正好起到分離鄰近石墨烯片層、 防止發生團聚的作用。近年來，人們創造性地將石墨烯與納米粒子復合起來，形成了一個新的研究領域。

之前已經有許多關于碳基材料-聚合物復合材料的報道，特別是基于碳納米線、碳納米管和富勒烯-聚合物復合材料的研究，作為碳材料家族獨特的一員，石墨烯同樣可以作為添加材料或載體與聚合物進行復合。石墨烯由于其獨特的結構和性能，在改善聚合物的熱性能、力學性能和電性能等方面具有相當大的應用價值。  

石墨烯除了能夠和納米粒子、高聚物復合外，還可以與其他碳基材料（碳納米管、富勒烯等）組裝形成復合材料，這些碳基材料可以相互組合而呈現出一些優越的性能。

石墨烯由于其具有獨特的二維結構使其成為一個制備復合材料非常理想的成分，而石墨烯內在的優異性能也使得石墨烯基復合材料呈現出許多優異的特性，并受到了許多研究者的關注。同時復合物的制備也拓寬了石墨烯材料的研究領域，使得石墨烯材料向實際應用方面更邁進了一步。

由于石墨烯具有優異的導電性、導熱性和結構穩定性等性能以及具有改性擔載金屬催化劑的作用，使得石墨烯基催化劑擁有了許多特殊的催化活性。

為了得到高比容超級電容器，一些研究組設計合成了多種石墨烯復合材料將其應用于電極材料，如：聚苯胺/石墨烯、MnO2/石墨烯等。但是石墨烯易發生團聚而不能有效利用，這也是石墨烯在電化學領域廣泛應用的一個難題。

石墨烯的部分雙鍵被氧化以后轉化為石墨烯氧化物,其所攜帶的羥基、羧基、環氧基、羰基等親水性官能團，讓石墨烯氧化物可以在水溶液或生理溶液中穩定存在，具有較高的水溶性，有望像溶液一樣適應于靜脈注射；另外，石墨烯還具備低毒性、比表面積大等特點，在藥物載體中有潛在的應用價值。目前石墨烯復合材料在生物醫藥領域的應用存在載藥種類少和治愈范圍小等缺點，其負載抗癌藥物主要為鹽酸阿霉素、三苯氧胺檸檬酸鹽和喜樹堿類等，未來可將石墨烯復合物應用于蛋白和基因藥物靶向運輸和治療等更深層次方面。

火炸藥在國防、民用等各個領域都是不可替代的，所以它的安全性是很重要的，既要能穩定的存在又要便于檢測。而石墨烯具有一定的鈍感性和導電導熱性，在含能材料領域有一定的應用價值，目前主要體現在炸藥傳感器和包覆降感上。