本发明涉及一种化学原位沉积工艺制备硫化剂改性石墨烯及其可控交联天然橡胶复合材料。首先通过化学键合作用使氧化石墨烯包覆在球形导热功能粒子表面，得到三维石墨烯粒子；进而利用化学原位沉积工艺将硫化剂通过π‑π共轭吸附在三维石墨烯粒子表面，得到硫化剂改性石墨烯粒子；然后将硫化剂改性三维石墨烯粒子加入到天然橡胶胶乳中，利用水相协同聚沉工艺制备得到石墨烯母胶并最终制得以石墨烯上负载的硫化剂为交联点的性能优异的可控交联石墨烯改性天然橡胶复合材料。本发明的硫化剂改性三维石墨烯粒子能够有效调控填充的天然橡胶复合材料的交联密度以及交联点位置，从而改善天然橡胶制品的生热、导热和力学性能，并最终延长天然橡胶制品的服役寿命。