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本发明涉及一种二氧化硅/石墨烯三维复合材料及其制备方法和应用，属于功能材料技术领域，该复合材料包括三维石墨烯泡沫基体以及均匀分散负载在所述基体上的二氧化硅/石墨烯复合物，二氧化硅/石墨烯复合物具有核壳结构，以二氧化硅颗粒为核，以石墨烯为壳。其制备方法中首先通过化学气相沉积法在二氧化硅颗粒表面沉积石墨烯，制得二氧化硅/石墨烯复合物，然后将该复合物分散于氧化石墨烯分散液中经一步原位自组装制得二氧化硅/石墨烯三维复合材料，该复合材料具有优异的机械强度、高力敏性、高导电性及高力学恢复性。该方法操作简单，对设备要求不高，适合工业化生产。