摩擦磨损造成了全球范围内三分之一的能源消耗以及百分之八十的机械部件损耗。因此,如何有效地降低相对运动界面间的摩擦磨损以及提高机械部件的摩擦学性能是亟待解决的问题。超润滑作为摩擦力几乎为零的摩擦状态是在全球能源与资源短缺的背景下实现可持续发展的重要手段。但现有的超润滑技术仅局限在微纳尺度以及特定的气氛环境才可以实现,始终无法在大气宏观条件下有所突破。其次,聚合物复合材料因其重量轻、强度高以及优良的化学稳定性等特征在某些高精度高性能运动部件领域得到了越来越广的应用。但目前增强材料对聚合物摩擦学性能的增强作用仍无法达到理想效果。石墨烯因其高的比表面积、优异的力学以及摩擦学性能,在实现宏观超润滑以及增强聚合物摩擦学性能方面具有巨大的优势。本论文使用PECVD方法在石英片基底、石英对磨球以及粒径8 μm二氧化硅微球表面生长石墨烯涂层。使用自组装微力摩擦磨损试验机测试三者组成的摩擦系统的摩擦学性能。测试结果表明,在大气条件下,施加法向压力35 mN,滑动速度为0.2 mm/s时,摩擦系数可达到0.0075。首次在大气条件下实现宏观超润滑摩擦状态。经过第一性原理以及分子动力学模拟得出此摩擦系统实现宏观超润滑的原因是由于二氧化硅微球的加入,降低了接触区域内石墨烯层的应力,保证了石墨烯涂层不被破坏而造成隆起褶皱导致额外能量耗散。其次,本论文使用机械共混法制备石墨烯环氧复合材料,结果表明,当添加的石墨烯质量分数为5 wt.%时,在法向载荷为10 N条件下,石墨烯环氧复材的磨损率相较于纯环氧树脂增强了 628倍。同时,首次使用分子动力学构建了多石墨烯碎片随机分散的环氧树脂模型,并模拟了其与Fe原子对磨针尖的摩擦过程。结果表明,其摩擦性能提高的原因是从基体剥离出的石墨烯薄片在摩擦过程中向表面迁移形成一层润滑膜。最后,本论文采用改良的真空抽滤法制备了定向石墨烯环氧复合材料。摩擦试验结果表明,定向排列在环氧基体中的石墨烯更容易在摩擦过程中形成致密的润滑膜,从而显著地降低了石墨烯环氧复材的摩擦系数。且在法向载荷低于8N的条件下,具有比随机排列石墨烯环氧复材更低的磨损率。本论文研究成果有助于超润滑技术在宏观尺度的应用,以及设计和制造基于石墨烯聚合物复合材料的高性能器件。