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石墨烯在复合材料中的应用，能显著增强材料的性能，拓展材料的应用范围。在塑料复合材料中，添加少量石墨烯就能大幅提升塑料的导电性和导热性，同时增强塑料的力学强度，让塑料既具备绝缘材料的部分特性，又拥有导电、导热能力，可用于制作电子设备的外壳、导热部件等，兼顾绝缘保护和散热需求。​
在金属基复合材料中，石墨烯的加入能改善金属的强度、耐磨性和抗腐蚀性。比如在铝、铜等金属中添加石墨烯，制成的复合材料比纯金属更坚固，且重量变化不大，可用于制作汽车零部件、机械构件等，延长部件的使用寿命，同时减轻重量，降低能耗。​
在陶瓷复合材料中，石墨烯能提升陶瓷的韧性，解决传统陶瓷脆性大、易断裂的问题。石墨烯陶瓷复合材料不仅保持了陶瓷的耐高温、耐腐蚀特性，还具备一定的柔韧性，可用于制作高温环境下的结构件、耐磨部件等，比如发动机的耐高温部件，拓宽了陶瓷材料的应用场景。