一種石墨烯增強的聚合物基質復合材料，其包括基本上均勻分布在熱塑性聚合物中的總復合材料重量的約10％至約50％的顆粒，所述顆粒選自石墨微粒、單層石墨烯納米顆粒、多層石墨烯納米顆粒及其組合，其中至少50wt％的顆粒由沿著c?軸方向的厚度小于50納米的單層和/或多層石墨烯納米顆粒組成。該石墨烯增強的聚合物基質由以下方法制備，所述方法包括：(a)將石墨微粒分布至包含一種或多種基質聚合物的熔融熱塑性聚合物相中；和(b)向熔融聚合物相施加一系列的剪切應變過程，以使基質聚合物隨著每個過程連續(xù)地剝離石墨，直到至少50％的石墨被剝離以形成沿著c?軸方向的厚度小于50納米的單層和/或多層石墨烯納米顆粒在熔融聚合物相中的分布。