作为碳素材料的主要的一种形式，石墨烯因其在电学、力学及热学方面都表现出优异的性能，从而备受人们的关注，已成为复合材料的一个重要的研究方向。为了更好研究出高性能的复合材料，本文对以氧化石墨烯为基础展开了如下研究。主要工作如下：(1)利用改性的Hummers方法通过选择不同尺寸的石墨原料及调节氧化剂用量制备了不同尺寸的氧化石墨烯(GO)，通过对样品表征发现，原料的尺寸和氧化剂的用量对GO的结构和形貌等会有很大的影响。对比GO对聚乙烯醇结晶行为影响，我们发现尺寸最小的GO对弱化PVA的结晶性能影响最强，而尺寸最大的GO因所起到的物理阻隔作用更大，故其复合材料的结晶完善度更低。而通过对复合材料力学性能方面的研究发现因最大尺寸GO的缺陷少，其本身的机械性能好，增强效果要优于尺寸小的GO。(2)以多壁碳纳米管(MWNTs)为原料，使用纵向氧化切割法制备了氧化石墨烯纳米带（GONR），同时通过物理吸附作用制备了OPBI非共价修饰GONR (FGONR)。通过表征证明了OPBI成功地物理吸附到GONR的表面，且FGONR在PMMA中具有良好的分散性能。为了更好的研究FGONR的增强效果，我们还对比以OPBI非共价修饰的MWNTs (FCNTs)及GONR，MWNTs为增强填料的复合材料的力学性能。得出FGONR因其较高的界面面积，良好的分散性以及与聚合物之间良好的相容性，所以FGONR表现最好的增强效果。基于此，FGONR有望作为制备高性能复合材料的一种良好的纳米填料。