在社会生产生活中,摩擦磨损造成的能源损耗约占全部能源消耗的23%,其中80%以上的机械零部件的失效是摩擦磨损导致,导致的经济损失约占每年GDP的2%～7%。如果能大幅降低接触界面间的摩擦,将大大减少机器磨损、能源损耗及经济损失。目前,接触界面摩擦趋于“零”的超润滑被认为是减少摩擦损耗的重要途径之一。石墨烯是现有的最薄固体润滑材料,因其优异的力学、摩擦学性能而成为超润滑接触界面的理想润滑剂。然而,现有的实验方法很难捕捉纳米尺度下摩擦接触界面材料的结构变形和能量耗散等,采用分子动力学模拟方法可以直观揭示纳米尺度下接触界面原子的摩擦细节,方便有效地研究接触界面的摩擦状态并设计超润滑模型。而目前关于石墨烯纳米尺度下的摩擦机理研究,还存在很多问题,如理论模型多为刚性衬底、超润滑接触载荷较低,实验中环境要求苛刻、超润滑状态不稳定等。针对上述问题,本文进行了如下研究:首先,采用分子动力学模拟进行基于非刚性石英衬底的石墨烯的纳米尺度摩擦学机理研究,分析不同载荷、不同层厚的石墨烯表面及层间摩擦行为。研究结果表明,石墨烯表面的摩擦行为表现出对载荷及层厚的依赖性;而层间的摩擦行为则受载荷、层厚及褶皱竞争的影响,层间褶皱也使石墨烯容易发生磨损。两侧石墨烯的层数增加到4层后摩擦可显著降低,这是由于增加层数可以提高石墨烯的面内变形刚度,从而减少接触面积,降低摩擦并提高耐磨性。褶皱增加石墨烯的面外波动程度,导致层间摩擦力增大,局部应力增加,进而发生断裂。其次,探讨了在两侧均有石墨烯的接触界面添加纳米颗粒的摩擦行为。从不同轴径比的纳米颗粒运动方式及力学特性可以得到,完整球形的纳米颗粒具有较好的滚动特性。增加纳米颗粒的粒径,可以降低石墨烯的面外变形,从而减少摩擦。在纳米颗粒表面覆盖石墨烯,能显著降低系统的摩擦,并在500 nN载荷下实现摩擦系数为0.0084的超润滑摩擦。当载荷增加到一定程度,界面石墨烯受到纳米颗粒表面的石墨烯褶皱的挤压发生严重塑性变形,迫使摩擦力增加,导致超润滑失效。最后对石墨烯的基础摩擦模型和超润滑模型进行实验验证。采用表面生长石墨烯的石英片和石英球对磨,不同层厚对石墨烯摩擦性能的影响趋势与模拟预测一致。对于生长石墨烯的石英片与石英片之间加入微/纳颗粒的系统进行摩擦,结果表明,未生长石墨烯的微/纳颗粒的尺寸对摩擦系数的影响是非线性的。通过在粒径为8 μm的颗粒上生长石墨烯,在300 mN及500 mN大载荷下,系统均实现了超润滑,摩擦系数分别为0.0017和0.0026,验证了分子动力学模拟的结果。