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石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维层状纳米材料,因其出色的物理性能和良好的环保性而被广泛应用。研究表明,石墨烯及以其为基础的功能型石墨烯作为润滑油添加剂有效地提高了基础油的减摩抗磨性能。因此,石墨烯有巨大的潜力成为空间航空动力传输系统中的高性能润滑材料。为了实现轴承钢保护技术与长寿命应用技术的突破,本文将以石墨烯为对象,研究其在润滑油中的扩散行为和石墨烯混合润滑油的流变性能及其对典型航空轴承摩擦副摩擦磨损行为的影响并探索其润滑机理。成果将为石墨烯的改性技术和高性能润滑添加剂的润滑设计提供依据。运用平衡分子动力学模拟方法对石墨烯在润滑油中的扩散行为进行研究。探索了石墨烯的尺寸、边缘官能团的种类和数量、温度及压力对其扩散行为的影响。针对含四种官能团的石墨烯,提出了一种基于扩散系数的润滑油中石墨烯分散能力的评价方法。通过Cha等人的研究结果、石墨烯混合润滑油的沉降实验和石墨烯与润滑油分子间的径向分布函数结果验证了该方法的准确性。使用该方法研究了石墨烯的尺寸、边缘官能团的种类和数量以及温度、压力对其分散能力的影响规律。实现了石墨烯分子设计与其分散能力评价的有效结合。采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了石墨烯混合润滑油的流变性能。建立了石墨烯混合润滑油的分子动力学模拟模型,通过与Bair的实验数据和Liu等人的仿真结果对比,验证了该非平衡分子动力学模拟方法的准确性。使用该方法研究了石墨烯的浓度、温度、压力和剪切率对基础油和石墨烯混合润滑油流变性能的影响规律。石墨烯在高温、高压条件下对润滑油粘度的提高更加有效。该方法奠定了润滑油流变特性对摩擦磨损性能影响的研究基础。利用动力粘度测试方法研究了石墨浓度和温度对润滑油粘度的影响规律。润滑油粘度随石墨烯浓度的降低和温度的升高而减小;温度对高浓度石墨烯润滑油粘度的影响更为显著。利用摩擦磨损测试方法对比研究了石墨烯作为润滑油添加剂时对GCr15/GCr15轴承钢和Si3N4陶瓷/GCr15轴承钢两种典型航空轴承摩擦副摩擦学性能的影响。在最优石墨烯浓度下分别使两种摩擦副的减摩抗磨性能提升25%、39%和27%、43.4%。利用摩擦磨损测试方法对氧化石墨烯混合润滑油的摩擦磨损性能进行了测试。含最佳浓度的氧化石墨烯润滑油在重载下对Si3N4陶瓷/GCr15轴承钢摩擦副的减摩抗磨能力提升更加有效。研究了混合润滑点接触条件下石墨烯对润滑油油膜厚度的影响,通过对摩擦表面分析并结合摩擦过程,揭示了石墨烯作为润滑油添加剂在混合润滑点接触条件下的润滑演变机制,获得了其在初始磨合阶段的层间滑移机理、成膜阶段的表面修补机理和摩擦稳定阶段的成膜作用机理。