石墨烯作為一種新型的納米材料，因其具備十分優異的物理化學性能而有著巨大的應用潛力，將石墨烯納米片與其他高分子聚合物復合可以制得綜合性能優異的復合材料。如何使石墨烯維持納米結構并均勻的分散在基體材料中，是制備聚合基石墨烯的復合材料的關鍵因素。目前主要通過選擇合適的復合材料制備工藝、對石墨烯表面進行修飾和功能化來解決石墨烯在基體材料中的分散問題。目前制備石墨烯填充改性復合材料的主要方法有以下三種：

（1）燒融插層聚合反應

烙融插層聚合反應是通過高溫加熱使聚合物處于烙融的狀態，然后在其中加入石墨烯，經過烙融混合后制得復合材料。該工藝簡單，不需要添加溶劑，適和大規模工業化生產，但是該方法有一定的局限性，僅適用于制備熱塑性復合材料而并不適用于其他復合材料制備。

（2）原位插層聚合反應

原位插層聚合反應是將石墨烯和聚合物單體混合均勻后在一定條件下發生單體聚合反應，該方法一定程度上可以使石墨烯在基體材料中均勻的分布。因為石墨烯參與聚合反應，所以促進了其在聚合物基質中的均勻分散，并且增強石墨烯與聚合物基體之間的界面結合力，從而改善復合材料的機械性能。然而，因為石墨烯具有很大的比表面積，發生聚合反應時會導致反應的速率過慢。Verdejo等研究表明，在二甲基硅氧烷中添加石墨烯后，聚合反應的速率比沒添加石墨烯大大的下降了。

（3）溶液插層聚合反應

溶液插層聚合反應是將石墨烯、聚合物分散在溶劑中混合均勻制得復合材料。一般通過超聲分散先將石墨烯分散在可溶性聚合物試劑中，并且通過超聲震蕩將聚合物溶解使其混合均勻，最后通過干燥除去溶劑。該方法簡單有效，可應用于合成低極性或非極性聚合物插層復合材料，最大的不足之處在于溶劑的去除難以解決，易產生較大的污染。Barroso-Bujans等采用溶液插層聚合反應制得了石墨烯，然后利用一些表征手段對石墨烯表面進行微觀分析，發現在經過多次溶劑去除和干燥后，仍然有部分溶劑殘存在石墨烯表面。