微机电系统(MEMS)中的摩擦磨损问题不仅严重制约其性能和使用寿命,造成巨大的经济损失和资源消耗,还限制了微纳米技术的发展。降低界面摩擦以及使用低摩擦系数材料将是解决这些问题的可行途径之一。结构超润滑概念由Hirano和Shinjo于1990年首次提出,指的是两个原子级光滑非公度表面接触形成的超低摩擦状态。经过二十多年的发展,研究者可以在大气环境、宏观尺度及高速条件下实现超润滑,使得其应用在MEMS中变为可能。以往对于微米尺度下石墨超润滑的研究很少涉及正压力的影响。而在同时测量两个表面之间的法向载荷和摩擦力的情况下,先前的实验方法限于纳米尺度(通过使用常规或修饰原子力显微镜探针与表面接触)和宏观尺度(摩擦磨损仪:pin-on-disk或者ball-on-disk)。为了深入理解石墨超润滑的机制,需要建立一种能在微米尺度下同时测量两个单晶石墨表面之间的正压力和摩擦力实验方法;基于此开展正压力对石墨超润滑的影响的研究。该研究不仅阐明石墨超润滑的机理,还有助于促进MEMS的制造进程。此外,应用基于超润滑材料的异质性结构(即两个不同材料表面的结构)在系统的零部件是一个必然的趋势,尤其是在硬盘驱动器新技术— “接触模式”技术上。以往鲜有系统地研究该结构的摩擦磨损行为。因此,为了尽快使得接触式硬盘能够实现,亟需进行系统地探索该结构的摩擦学。本文系统地研究正压力对石墨超润滑的影响以及基于石墨超润滑异质性结构的摩擦磨损行为。首先,基于现有的商用原子力显微镜,耦合一个物镜和一个可看到头的探针,实现实时观测样品移动并测量正压力及摩擦力。该方法可准确测量石墨超润滑表面之间的摩擦力在正压力变化4个数量级的范围内(20 nN至15 μN)。其次,分析了在可施加压力的实验条件下(高达1.67 MPa)石墨超润滑特性跟法向载荷无关。在此基础上改变温度条件,获取温度变化对石墨超润滑表面之间的摩擦力的影响,进一步探究石墨超润滑的摩擦来源。最后,通过同时测量正压力和摩擦力的方法以及两种磨损表征手段揭示了基于石墨超润滑的异质性结构的摩擦磨损行为。本论文通过系统地研究正压力对石墨超润滑的影响以及基于石墨超润滑的异质性结构的摩擦磨损行为,获得以下主要结果及创新点:(1)在微米尺度下成功地实时观测并同时准确测量两个石墨超润滑表面之间的正压力及摩擦力本文通过使用一个放大倍数物镜和一个特殊的悬臂梁耦合在一台商用原子力显微镜,建立一个实验方法能在微米尺度下实时观察和精确地测量单晶石墨体系滑动过程中的正向载荷和侧向力。另外,本文还揭示出原子力显微镜悬臂梁刚度的原位标定方法通过磁悬浮系统。该方法为后续进行研究正压力对石墨超润滑的影响打下了基础。此外,该方法提供一种有效的手段能在微米尺度下实时进行观测并同时测量层状材料表面之间的摩擦力和法向载荷。。(2)揭示了两个原子级光滑非共度单晶石墨(石墨超润滑)表面之间的摩擦力随正向载荷增加的演变规律通过上面所述的方法,成功地测量在正压力变化4个数量级的范围内(20 nN至15 μN)微米级石墨超润滑表面之间的摩擦力。研究表明,随着正压力的增加石墨超润滑特性仍然保持(可施加压力的范围高达1.67 MPa)。对于每一个样品,当正压力增加时,摩擦力保持基本不变并且卸载后石墨薄片仍然可以实现自回复运动。此外,实验结果显示在室温条件下不同的样品(均3x3 μm2的尺寸)有不同的摩擦力。因此,本文还进行分析和验证了不同样品的摩擦力分散性结果。研究结果表明,在高温情况下(150℃以上),因水带来的吸附物(分布在石墨岛的边缘)几乎不存在,因此不同样品的摩擦力都很一致。可见,石墨超润滑的摩擦力主要来自于吸附物并且高温可以消除该影响。该研究为制造微米器件提供了新的途径。(3)揭示出基于石墨超润滑异质性结构(石墨超润滑与其他材料互相滑动)的摩擦磨损行为通过上述的测量方法研究了基于石墨超润滑的异质性结构(石墨超润滑与类金刚石的接触)在不同温度条件下的摩擦磨损行为。研究表明,石墨超润滑在类金刚石表面多次滑移后的摩擦几乎不变。该结果初步证明了石墨超润滑与类金刚石表面互相滑动后几乎没有磨损的特性。本文还通过原子形貌图和拉曼光谱分析进行磨损表征。研究结果表明,石墨超润滑和类金刚石表面多次相互滑动后没有明显的磨痕。该结果初步证实了基于超润滑石墨/类金刚石异质性结构是一个有很大应用前景的超耐磨结构。此外,本文还研究了两个原子级光滑物理(石墨岛)和化学(云母)表面之间的摩擦行为。研究结果指出,在大气环境下该结构很难保持超低摩擦特性。本论文的主要结果为微米尺度单晶石墨界面之间的摩擦行为以及基于石墨超润滑异质性结构的摩擦磨损行为提供了新的理解。该结果能为石墨体系结构超润滑在微米机电系统中的应用提供必要的实验依据。