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溴化丁基橡胶（BIIR）具有良好的气体阻隔性和耐腐蚀性能,主要被应用于轮胎内胎和密封材料。利用石墨烯和碳纳米管填充改性BIIR可以改善其力学性能,提高其气体阻隔性和导热性能,提升其在轮胎和密封材料领域的应用价值。制备石墨烯/高聚物复合材料的关键就是解决石墨烯的分散问题。氧化石墨烯（GO）易被剥离和修饰,它为解决分散问题提供了一种有效的途径。本论文用Hummers法氧化天然石墨制得GO,进一步将其修饰成石墨烯-十八烷胺（GO-ODA）和还原氧化石墨烯-氟化钙（RGO-CaF2）。将制得的两种填料与BIIR溶液共混制得石墨烯/BIIR复合材料,并研究了石墨烯/BIIR复合材料结构与性能之间的关系。本论文还将氮化硼（BN）和多壁碳纳米管（MWCNT）与BIIR熔融共混,以改善BIIR的力学性能,提高其导热性能。具体工作包括:用溶液共混法制备了GO-ODA/BIIR复合材料并研究了其力学性能、热稳定性和气体阻隔性。GO-ODA/BIIR复合材料的力学性能比BIIR有了明显的提高,添加10 phr GO-ODA后,BIIR的300%定伸应力提高了230%。复合材料力学性能的提高得益于GO-ODA与BIIR之间的相互作用。与BIIR相比,GO-ODA/BIIR复合材料的最快分解温度向高温方向移动,热稳定性提高。GO-ODA/BIIR复合材料的气体阻隔性随着GO-ODA的添加而明显提高。10 phr GO-ODA/BIIR复合材料的氮气透过速率仅为BIIR的21.2%。GO-ODA在BIIR基体中形成了非常曲折的气体透过通道,而且限制了BIIR分子链段的运动,使得气体分子通过更加困难。用溶液共混法制备了RGO-CaF2/BIIR复合材料并研究了其力学性能、介电性能和导热性能。原位生成的CaF2有效地阻止了RGO片层的堆叠,使得石墨烯在BIIR基体中分散良好。RGO-CaF2/BIIR复合材料的力学性能比BIIR有了明显的提高,GO含量为3 phr的RGO-CaF2/BIIR复合材料的300%定伸应力比BIIR提高了72%。随着RGO-CaF2添加量的增加,RGO-CaF2/BIIR复合材料的介电常数和热导率都得到提高。GO含量为5 phr的RGO-CaF2/BIIR复合材料的热导率比BIIR提高了65%。由于RGO和CaF2之间的协同效应,RGO-CaF2/BIIR复合材料的介电常数和热导率比RGO/BIIR和CaF2/BIIR都高。BN和MWCNT都可以使BIIR的力学和导热性能得到提高。BN/MWCNT/BIIR（5/60/100）复合材料的300%定伸应力达到BIIR的4.9倍,热导率达到BIIR的3.1倍。根据理论模型对力学性能和导热性能的模拟,MWCNT对提高BN/MWCNT/BIIR复合材料的力学性能贡献更大,而BN在提高BN/MWCNT/BIIR复合材料的导热性能方面占主导作用。BN和MWCNT在提高BIIR的导热性能方面存在协同作用。