根据报道，聚酰亚胺/石墨烯复合材料的制备方法通常为：溶液共混、原位聚合和熔融共混三种。
(1) 溶液共混
溶液共混将石墨烯及石墨烯衍生物通过搅拌使其分散在聚合物溶液中，然后去除溶剂即可制备出相应的聚合物纳米复合材料。因为石墨烯几乎不具有溶解性，而且石墨烯极易发生层间聚集。所以科研工作者在石墨烯的结构中引入有机官能团，以此来增大石墨烯及石墨烯衍生物溶解性。因为氧化石墨烯具有水溶性，所以可直接将其胶体溶液和水溶性聚合物的水溶液共混，经过搅拌、超声处理和成型过程，制备出的聚合物/氧化石墨烯复合材料具有优良的力学性能。在制备氧化石墨烯和非水溶性聚合物通过共混制备复合材料时，其中氧化石墨烯的有机功能化更加有助于提升其在有机溶剂中的溶解性以及和聚合物间的有力结合。
(2) 原位聚合
溶液共混法和原位聚合法*大的区别是，聚合物的合成过程和石墨烯或石墨烯衍生物的混合同时进行，且聚合形成的高分子链和石墨烯或石墨烯衍生物的表面有强的共价键作用，这种方法获得的聚合物/石墨烯复合材料都有更强的界面作用，因此其综合性能有着明显的提高。其中以尼龙-6、聚苯乙烯、环氧树脂等作为聚合物基体制备得到的聚合物/石墨烯复合材料都是使用原位聚合法制得。
(3) 熔融共混
熔融共混的过程中无需溶剂就可制得聚合物/石墨烯复合材料，只需要将石墨烯或石墨烯衍生物和熔融状态的聚合物在高温以及高剪切力作用下混合即可。据报道已经通过熔融共混制备了多种多样的聚合物(如聚酯和聚碳酸酯、聚2,6-萘二甲酸乙二酯)/功能化石墨烯复合材料。也分别尝试了聚乳酸/石墨烯、聚对苯二甲酸乙二酯/石墨烯材料等通过熔融共混复合。虽然此方法虽然且操作简单，可以实现大规模制备，但由于在制备过程中的高剪切力作用导致石墨烯片破碎。
研究者们使用上述三种方法可制备出各种各样的聚合物/石墨烯复合材料。石墨烯及其石墨烯衍生物作为二维结构的无机纳米填料之一，对聚合物复合材料的热学、阻燃性、电学性能和力学性能等有显著影响。如将γ-氨丙基三乙氧基硅烷高分子材料接枝到氧化石墨烯表面上再用化学还原得到功能化的石墨烯(AFG)，*后将功能化石墨烯引入到聚氨酯(PU)基体中，就可以制备得到PU/功能化石墨烯材料，当功能化石墨烯加入量为0.2 wt%时，复合材料的断裂伸长率和抗张强度分别升高了71.7 %和227 %，并且导热率和起始热分解温度分别提高了40 %和50℃。
如果对复合材料的导热和导电性能没有严格要求时，功能化的氧化石墨烯也可以作为一种理想的增强型填料，功能化的氧化石墨烯不但可以很大程度的提高聚合物为基的复合材料的力学强度，还可以使得复合材料具有新的性能，例如pH 响应、温度敏感性和形状记忆等功能。也可以利用氧化石墨烯上的环氧基和硅氧烷中的羟基的耦合作用可以将引发剂MPEG-CPDB 成功的接枝到氧化石墨烯的表面，随后可以引发各种烯烃活性单体，可以成功制得到含有氧化石墨烯的V-形的共聚物刷，对聚丙烯酸叔丁酯链段进行水解反应，可以得到有pH 相应性聚合物链段的聚丙烯酸，并且以含聚丙烯酸链段的共聚物/氧化石墨烯的复合材料作为模板，分析总结了在不同的pH 条件下聚丙烯酸对磷酸钙和碳酸钙这两种无机盐结晶的形貌有诱导作用。
