本发明提供了一种提高热塑性碳纤维复合材料力学性能的方法，它包括以下步骤：a、将氧化石墨烯均匀分散在水中，即得氧化石墨烯溶液；b、将碳纤维均匀分散在步骤a所得氧化石墨烯溶液中，干燥，即得氧化石墨烯包覆碳纤维；c、将氧化石墨烯包覆碳纤维与聚苯醚熔融共混后即得复合材料。实验结果证明，采用本发明方法制备得到的聚苯硫醚具有高机械性能，其拉伸强度与杨氏模量与未改性的聚苯硫醚相比，分别提高了116％和193％；与碳纤维改性的聚苯硫醚相比，分别提高了13％和17％，应用前景良好。