本发明公开一种石墨烯改性聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，该薄膜由改性氧化石墨烯和POSS按照一定比例引入聚酰亚胺基体中，通过多异氰酸酯对氧化石墨烯改性增大层间距，提高了氧化石墨烯在聚酰亚胺基体中的分散性，POSS引入聚酰亚胺薄膜后，薄膜被辐照时会在薄膜表面形成SiO2保护层，增强薄膜的耐辐照性能，同时以二胺为链接剂与封端酸酐基团进行反应，使聚酰亚胺前驱体之间链接，实现链增长，得到大分子量的聚酰亚胺，进一步改善了薄膜的力学性能。该复合薄膜可应用于航天器外表面，具有优异的耐辐照性能。