石墨烯是一种新兴的固体润滑材料,有望满足以微/纳机电系统为代表的精密微动部件对润滑材料的超薄、低摩擦、高导热性、导电性以及环境友好性等特殊需求。目前,关于石墨烯润滑性能的研究还未能充分解释石墨烯的高强度和低耐磨性之间的巨大差异。同时,研究重点多集中在石墨烯本身,在原子尺度探究石墨烯涂层对基底磨损的抑制机理对深入理解石墨烯涂层的润滑特性和评估构件的使役状态亦至关重要。研究表明基底和石墨烯的界面结合强度是影响石墨烯耐磨性能的重要因素。而铁基底对石墨烯有强吸附作用,有利于减少石墨烯涂层的剥离磨损。同时,鉴于铁基磁性材料在微/纳机电系统中的使用需求,本文主要开展石墨烯涂层在单晶铁表面的摩擦磨损机理的基础研究,为后续的应用研究奠定理论基础。具体内容包括以下方面:为了研究石墨烯涂层对基底磨损的抑制机理以及石墨烯涂层的磨损失效机理,分别建立了石墨烯/单晶铁体系的纳米压痕、纳米刻划以及石墨烯润滑的粗糙表面的摩擦磨损的分子动力学仿真模型。采用原子临界位移和临界速度的组合策略识别了单晶铁在磨损过程中的磨屑生成。改进了适用于石墨烯的中心对称参数计算方法,并结合原子配位数和多缺陷环搜索方法,实现了石墨烯中的不同缺陷的准确识别,为后文的理论分析奠定了基础。通过石墨烯/单晶铁体系的纳米压痕仿真,分析了石墨烯涂层对粗糙压头作用下单晶铁表面的应力分布的影响规律。认为石墨烯涂层可通过应力均化效应降低接触应力峰值,增大单晶铁基底受载面积,从而抑制压痕中的位错形核。通过对压痕塑性区的能量分布和位错特征的分析,发现石墨烯涂层还能抑制压头周围原子的法向隆起以及位错在水平方向的运动,从而抑制压痕的堆积效应;能够增大法向承载力和表面硬度,降低塑性区影响深度。通过以上综合作用,石墨烯纳米涂层可减小单晶铁基底在压痕中的接触损伤。对单晶铁纳米刻划中石墨烯涂层对磨屑形成的影响规律进行了探讨。石墨烯涂层主要通过抑制划痕前端原子的离面挤出效应抑制磨屑的形成。基于对基底内部应力和位移场的分析,发现石墨烯涂层可使划痕前端形成顺流向的位错线而减少位错塞积效应,从而诱导基底内部的位错湮灭。因此划痕塑性区内空位缺陷以及塑性区的影响深度都随石墨烯厚度增大而减小,有利于提高基底耐疲劳磨损的能力。通过石墨烯/单晶铁体系的纳米刻划实验,验证了石墨烯涂层对单晶铁基底划痕损伤的抑制作用。石墨烯涂层还能隔离单晶铁粗糙峰的直接接触,降低摩擦力中的界面剪切分量;降低刻划深度而减小摩擦力的犁沟分量;抑制磨屑的生成而减小摩擦力的切屑分量,最终降低刻划摩擦力。模拟了石墨烯在具有随机粗糙表面的单晶铁界面之间的润滑过程。石墨烯和基底的吸附强度随基底粗糙度增大而降低。在石墨烯涂层润滑的粗糙单晶铁界面之间,铁-铁界面剪切无法避免,且是摩擦力的主要来源。分析了石墨烯在低应力条件下磨损失效的主要机制,发现由石墨烯边缘悬键诱导的链式自损伤和折叠团聚区在机械应力作用下的碳-碳键合是石墨烯磨损的主要原因。开展了石墨烯润滑的高纯铁表面的球盘摩擦磨损实验,通过拉曼光谱分析观测到石墨烯磨损过程中逐渐向无定型碳的转变,间接验证了石墨烯磨损失效机制的理论仿真结果。