石墨烯的高横纵比和优异的导电性能使其既可以作为一种功能性纳米填料与聚合物泡沫或者碳泡沫复合制备轻质电磁屏蔽材料,又可以作为基本结构单元直接构筑高性能和多功能性的石墨烯泡沫。尽管上述领域取得了一定的进展,但仍存在许多问题和挑战,包括如何简单、高效的制备高性能的聚合物/石墨烯复合泡沫、碳/石墨烯复合泡沫(简称碳泡沫)、石墨烯泡沫以及如何通过结构设计大幅提升泡沫材料的电磁屏蔽乃至吸波性能。本学位论文针对上述问题开展了具有前瞻性和系统性的研究,主要内容如下:(1)在聚合物/石墨烯复合泡沫的制备方面,将原位聚合与非溶剂诱导相分离法相结合,实现了石墨烯(rGO)在芳香族聚酰亚胺(PI)泡沫中的高填充(16wt%)。结果,高含量的rGO不仅赋予了PI泡沫优异的电磁屏蔽效能,使其达到了工业标准的20 dB,同时还使样品厚度从传统聚合物屏蔽泡沫的≥2 mm降至0.8 mm。此外,rGO还可在PI热分解过程中充当自由基清除剂的角色,将复合泡沫的5 wt%热分解温度提高至581°C。尽管在rGO的含量高达16 wt%的情况下,PI复合泡沫仍具有良好的柔性和力学性能。(2)在聚合物/石墨烯复合泡沫的结构设计方面,通过水蒸气诱导相分离法制备出rGO含量高达20 wt%的热塑性聚氨酯(TPU)复合泡沫,而后将所制备的rGO含量不同的TPU泡沫进行多层叠加可以实现rGO的浓度梯度。结果发现:梯度结构对聚合物泡沫材料的屏蔽效能影响较小,但却可以提高电磁波在材料与空气界面的阻抗匹配,大幅增强其吸波性能。进一步将两层TPU/rGO泡沫之间引入一层透波材料,可以制备出具有三明治结构的复合泡沫。结果发现:三明治结构可以通过电磁波的相消干涉大幅提高复合材料的屏蔽效能且其提高幅度与透波层的厚度有关。(3)在碳泡沫的制备方面,以PI/rGO复合泡沫为碳质前躯体,通过高温碳化和石墨化制备出超薄碳泡沫材料。结果发现:rGO的加入不仅能够抑制PI泡沫在碳化和石墨化过程的收缩,防止泡孔的塌陷,而且还能够在PI碳化和石墨化过程中产生一定的内应力,促进PI泡沫的石墨化进程。最终,厚度仅为24μm的碳泡沫在8.2-12.4 GHz(X波段)的屏蔽效能高达24 dB,较对照组的无孔碳膜高出了~7 dB。原因主要是:泡孔结构增强了电磁波的在其中的多重反射,提高了材料的吸收损耗。此外,该碳泡沫还具有超高的耐热性,其在空气氛围下的热分解温度高达~600°C。(4)在石墨烯泡沫的制备方面,以低温热剥离的石墨烯为原料,通过一步烧结实现了高性能石墨烯泡沫(GF)的高效、宏量制备。高温烧结(>500°C)过程不但可以将二维的石墨烯片成型为三维的石墨烯泡沫,还可以深度修复石墨烯片层上的缺陷。更重要的是,整个烧结过程通常可在12 h内完成,效率较传统的水热和模板法大幅提高。所得到的具有超低密度(11-34 mg/cm~3)的GF是一种多功能性材料,不但具有优异的电磁屏蔽效能(34-39 dB),还能够吸附其自身重量47-120倍的有机污染物。