石墨烯气凝胶（Graphene aerogel,GA）作为一种新型三维多孔石墨烯材料,不仅保持了石墨烯自身所具备的高电子、声子传导率等基本特性,还具备丰富的孔结构和高比表面积等结构特点,在催化、能源、环境等前沿领域表现出广阔的应用前景。受其构筑基元和构筑方法的影响,不同的制备方案得到的GA在结构和特性方面迥然不同。以氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）为基元,通过冰模板法可实现GA的宏量制备,且具有成本低、易操作等优势,是最具有工业化前景的方案之一。然而,由于该体系中存在着冰晶模板的形态难以调控、驱动GO片层运动与分布的机制不明确等学术问题,导致对GA孔结构调控存在困难,并进一步影响其功能发挥和产品应用。因此,建立基于冰模板法的GA孔结构调控方法与相应的理论体系具有重要意义。鉴于此,本论文针对GA孔结构形成机理、调控机制、功能特性以及其中存在的科学问题开展了以下研究:（1）通过对GO表面氧化程度及其与冰晶结晶前沿间相互作用调控的研究,建立基于模板结晶前沿结晶行为调控机制的石墨烯气凝胶（Partially reduced GA,pr GA）孔结构的新方法。结合实验与模拟计算研究手段,提出表面性质对pr GA孔结构的调控机制。实验发现,当表面氧化程度较高时,pr GA的孔壁为卷曲结构,内部GO片层堆叠无序。随着氧化程度的降低,pr GA的孔壁逐渐平整,内部GO片层堆叠紧密有序。进一步的分子动力学模拟计算结果表明,表面氧化程度是影响GO与结晶前沿的相互作用力强弱的关键因素,而相互作用力的强弱决定了结晶前沿在运动的过程中对GO的吞噬或排斥行为。表面氧化程度越低,GO与结晶前沿的相互作用力越弱,GO从易被晶体吞噬到易被排挤而富集堆叠,形成不同的孔结构。（2）提出通过引入乙醇作为冰模板结晶行为调控剂,进一步实现对pr GA孔结构的调控,并通过实验与模拟计算结合研究,开展模板液中乙醇组分对pr GA孔结构的调控机制研究。实验结果表明:乙醇体积分数的变化导致模板液结晶过程中晶体尺寸与形状出现变化,进而引起pr GA孔结构的差异;随着乙醇体积分数的增加,pr GA孔径先增加后减小。分子动力学模拟计算结果则表明,不同组分乙醇水溶液中乙醇分子与水分子之间的相互作用发生了变化,从而形成了不同的团簇结构并改变了模板液的结晶行为。此外,溶液的性质（粘度、扩散系数、形核速率与晶体生长速率）因乙醇的加入而显著变化,进一步影响冰晶的生长与pr GA孔结构。（3）以具有不同孔结构的GA作为导热逾渗网络制备石墨烯气凝胶/环氧树脂（GA/epoxy）复合材料,探究其孔结构特征对复合材料热导率的影响。实验结果表明,复合材料的热导率主要与GA孔壁内部石墨烯片层的堆叠方式有关,而环氧基体的热导率以及GA与环氧之间的界面热阻对其影响较小;复合材料的热导率与GO氧化程度、GA骨架内部石墨烯堆叠结构密切相关:随着GO氧化程度的降低,GA孔壁内石墨烯片层堆叠更紧密有序,骨架内部的热阻降低,复合材料的热导率增加,可达2.69W/（m·K）。与模板液乙醇体积分数的关系为:随着乙醇体积分数的增加,GA孔径先增加后减小,孔数量先减小后增加,这导致GA的孔壁厚度先增加后减小。当孔数量多,孔壁薄时,热量在界面处的逸散更严重,导致热导率降低,反之则升高。当乙醇体积分数为40%时,孔径最大,复合材料热导率达2.81 W/（m·K）。（4）拓展GA在智能电磁防护方面的应用,研发具有温敏响应的GA/聚（N-异丙基丙烯酰胺）复合材料,首次赋予GA频带可调的微波吸收特性。原位结构表征手段与分子动力学模拟计算均证实GA的骨架结构可随着温度的变化而发生解离与重组。这种结构的变化使得复合材料表现出对微波吸收的频段选择性。在临界相变温度以下,聚（N-异丙基丙烯酰胺）分子链伸展,GA骨架解离,导致复合材料导电率降低(10-5S/m),以极化弛豫为主导的损耗机制使微波吸收主要作用在X-Ku频段;在临界温度以上,聚（N-异丙基丙烯酰胺）分子链收缩,驱使石墨烯片层堆叠更为紧密,复合材料导电率恢复(10-1 S/m),导电损耗的提升使吸波频段向低移动至C与X频段。（5）通过静电纺丝技术结合冰模板法制备新型MXene@GO杂化气凝胶微球,并通过对其结构参数的优化,实现对微波的高效吸收,进一步扩展GA在电磁防护方面的应用。由于具有亲水特性的二维纳米结构,MXene可与GO在水溶液中以面-面的方式自发组装形成层状杂化体,通过静电纺丝形成小液滴,再通过冰模板法形成具有三维多孔结构的气凝胶微球。实验结果表明不同配比的MXene/GO溶液可形成不同堆叠结构的杂化体。MXene的引入显著提升了GO气凝胶的吸波性能,当含量为30 wt%时性能最佳。当其在石蜡中占比为10 wt%且样品厚度为1.2 mm时,反射损耗在14.2 GHz处达-49.1 d B,有效吸收带宽（<-10 d B）为2.9 GHz。此外,在厚度小于5 mm时,杂化气凝胶在S频段拥有优异的吸收性能。电磁参数分析结果表明,引入MXene可改变杂化气凝胶的介电性质,带来多种新极化机制,并提高其极化损耗与导电损耗能力。