本发明涉及一种石墨烯改性复合材料活塞及其制备方法与应用，制备方法包括：将石墨烯粉末加入乙醇丙酮混合溶液中，分散均匀，然后超声；将得到的溶液加入到酚醛树脂丙酮溶液中，混合均匀；首先采用先驱体浸渍裂解法在活塞预制体表面制备改性界面层；将得到的有石墨烯/C界面层的活塞预制体再通过先驱体浸渍裂解法进一步致密化，重复先驱体浸渍裂解法直到活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3；然后在2400～2600℃下进行2～3h石墨化处理，得到改性碳基复合材料活塞。本发明提供的改性碳基复合材料活塞，可以提高活塞抗热腐蚀性能、室温和高温抗拉强度，降低热膨胀系数，降低相应的发动机的油耗和有害物质排放量。