本发明公开了一种厚度可控的高性能石墨烯膜及其制备方法。本发明采用离心喷涂技术，将石墨烯与聚合物均匀复合，构建亚微米石墨烯膜，并以此为结构单元和粘接剂层层组装，经过高温烧结后，最终得到厚膜可控的石墨烯复合膜。本发明利用多种聚合物气体逸散行为的不同，构建多级气体逸散通道，避免了传统石墨烯膜中微气囊的形成，减少了层离结构。另外，石墨烯可以诱导聚合物形成石墨烯；聚合物可促进石墨烯的AB堆叠，两者协同作用，共同形成高结晶度的石墨烯膜。该材料具有优异的热导率和电导率及热稳定性，可应用于航空航天器件热均匀化。此外，可石墨化聚合物成本远低于石墨烯，大大减少了复合石墨膜制备的生产成本。