本發(fā)明公開了一種高導熱薄層石墨烯基復合材料、其制備方法及應用。該復合材料，包括基體組分和填料組分，其中，基體組分和填料組分包括薄層石墨烯、聚合物和/或聚合物單體以及高導熱材料。該制備方法包括將基體組分與填料組分復合，其中復合方式包括熔融加工、球磨、溶液共混、靜電紡絲、溶液紡絲、熔融紡絲、雙螺桿擠出、開煉機混煉或粉末冶金。本發(fā)明通過將聚合物與薄層石墨烯及傳統(tǒng)高導熱材料等以簡單工藝復合，形成了具有優(yōu)良導熱性能及良好力學、電學性能的產(chǎn)品，其過程易于實施和控制，成本低，所獲產(chǎn)品在高效導熱、散熱等方面具有廣闊的應用前景。