摩擦现象存在于生活的方方面面,而对于它的研究可以追溯到达芬奇时期。虽然先后提出了被大众广泛认可的阿蒙顿-库伦定律,但其背后的机理问题一直未得到根本解决。这也就使得人们对于这一现象的认识和应用无法获得进一步的突破。随着纳米时代的到来,微纳器件的出现促进了各研究和应用领域的长足发展,如何合理的设计和制造微纳器件成为了衡量一个国家科学技术水平的直观标准。微纳器件对精确性和稳定性有着极高的要求,其高比表面积（surface-to-volume）的特性使得摩擦现象的影响变得尤为突出。宏观下获得经验理论显然无法满足目前的需求,这就需要研究人员重新给出解释,因此对于摩擦机理的研究成为了当下的热门课题。本文基于分子动力学、晶格动力学、传热学等理论,结合光学显微镜和原子力显微镜等实验仪器,以石墨烯作为主要对象研究了纳米尺度下的摩擦行为,揭示了摩擦耗能摩擦机理。取得创新成果如下:1.建立石墨烯薄片在双层石墨烯基底上滑动的分子动力学模型,发现了不同于宏观理论（阿蒙顿-库伦定律、牛顿粘性定律）的速度对摩擦力的非单调影响。影响分为三个部分:摩擦力上升阶段、平稳阶段和速度衰减阶段。总结了不同阶段下瞬时摩擦力和瞬时位移的变化情况,分析了不同阶段出现的原因。根据原因提出了修正的Prandtl–Tomlinson模型并显示出与分子动力学一致的摩擦力变化趋势。将修正模型推广到双自由度系统,讨论了质量、阻尼和刚度对摩擦力的影响。2.研究了石墨烯薄片在法向激励作用下摩擦力的变化,研究表明法向激励对摩擦力的影响取决于激励的频率和振幅,当频率在一定范围内,随着振幅的增大,摩擦力会显著减小;一旦频率落在这一特定范围外,则激励作用并不会引起摩擦力的变化。在建立的半球型硅针尖-硅基底滑动模型的基础上,研究横向激励对摩擦力的影响。结果表明横向激励也可以实现动态润滑,通过观察横向激励下势能面的变化,给出了横向激励减摩的原因,并给出了速度对于这种减摩作用的影响。3.建立一维的单原子链模型,研究摩擦耗散的尺寸效应,通过激励末端原子发生不同频率的振动,发现不是所有的振动能量都能够被系统吸收。对于小尺寸系统,存在可吸收能量的最小截止频率,当发生小于截止频率的振动时不会引起能量耗散,这是由于小于截止频率的振动无法散射为其他频率的振动,因此会形成驻波引起的,同时这个截止频率随着系统尺寸的增大向高频偏移;但当激励频率过大,超出系统的本征功率谱时,系统依然无法接收振动产生的能量。只有激励出本征功率谱内的振动才能有效的吸收能量。4.基于不同频率的振动会对摩擦耗散产生影响,我们系统研究了接触界面处由于滑动而引起的声子模式变化,发现随着滑动速度的增加,声子模式会向高频偏移,利用波包法分别研究了对应频率的面内声学模式（纵波LA和横波TA）和法向弯曲声学ZA模式在界面处的透射情况,观察其与摩擦力变化的关系。还通过分解声子模式,研究了声子寿命和频率的变化。发现存在于第一布里渊区内的部分声子模式寿命会随着速度的增加而减小。声子寿命同时受到速度和温度两方面的影响,低速时速度影响部分占主导,而在高速时温度影响部分占主导,可以从声子属性的变化,解释摩擦力随速度的变化趋势。5.通过建立分子动力学摩擦模型,统计基底接触界面处受摩擦直接激发的声子态密度,发现了直接激发出的非平衡态声子不仅出现在搓板频率上,还会出现在其倍频频率处。这种激发出的声子振动频率与针尖的固有频率相一致时,会引起共振效应,从而打开耗散通道使得摩擦耗散明显增加。同时,通过分析瞬时摩擦力的快速傅里叶变换图,可以看到随着速度增加高频分量的作用逐渐减小。这一发现首次在实验上获得了验证,利用原子力显微镜测试针尖在石墨和二硫化钼基底上滑动,都能在预测的速度下观测到明显的摩擦峰,这种现象很稳定,不会受到温度和湿度的影响。