摩擦几乎存在于所有的机械设备中,摩擦造成的机器零部件的磨损是机械设备失效的主要形式。据估计,全球约1/5的总能源因摩擦而损耗,约80%的机械零部件失效由摩擦磨损造成。然而,摩擦耗能的时空响应动力学过程仍不清晰。因此,为了工业化经济的发展,从根本上揭示摩擦机理进而控制摩擦耗能已经成为亟待解决的课题。本文基于分子动力学、晶格动力学和量子力学等理论,结合原子力显微镜和拉曼光谱仪等实验仪器,对石墨烯、二硫化钼和二硫化钨等二维材料以及硅、锗和金刚石等半导体材料接触界面的摩擦行为进行探索。具体如下:建立了基底弹性变形能和热激发效应的耦合作用对摩擦力贡献的摩擦系统。该系统可通过改变弹簧床支撑刚度表征基底石墨烯的层数。研究发现,基底弹性变形能和摩擦力均随刚度的增大呈指数下降;摩擦过程中滑移长度的减小改变了能量耗散率,导致摩擦力随温度的增加呈非单调变化。因此,摩擦力是由法向弹性变形能和界面褶皱势相竞争,以及热激发效应和滑移长度变化相竞争共同作用的结果,该研究将拓宽Prandtl–Tomlinson摩擦模型的应用范围。基于纳米摩擦耗能理论,建立了公度接触下支撑刚度梯度变化的石墨烯层间摩擦模型,分析了支撑刚度梯度变化时探针各接触区对摩擦耗能的贡献。软边界区始终贡献驱动力;硬边界区贡献的摩擦力最大,且随着支撑刚度的增大,硬边界区对总摩擦的贡献比越高。各接触区的摩擦力是探针和基底之间的褶皱势和接触区产生的法向变形差两部分的共同作用。前者是公度接触下阻碍滑移的界面势垒和刚度梯度方向上不同刚度支撑原子热振动引起的势梯度;后者是接触边界过渡区两侧原子的非对称变形和自由度约束突变引起的非平衡边界势垒相耦合的结果。计算了两接触石墨烯薄膜的界面原子力,定量阐释了从公度接触到非公度接触的摩擦演化进程。界面原子力分布呈现出摩尔纹,接触应力形成的摩尔纹反映两石墨烯层间的接触质量,而剪切应力形成的摩尔纹与摩擦力紧密相关。在公度和非公度接触状态,原子摩擦力均有一部分为正,另一部分为负,但相较于公度接触,在非公度接触时正原子摩擦力和负原子摩擦力的分布关于零点更对称,从而造成超低的有效摩擦合力。基于接触界面的声子态密度,建立了单/双层石墨烯的摩擦声子耗散模型。在摩擦过程中,更厚的层数、更快的滑动速度和更大的法向载荷等影响因素下都会引起声子态密度的蓝移,同时这些影响因素也会引起摩擦力的增大。结合极化态密度法进一步发现,随着石墨烯层数的增加,法向弯曲声学（ZA）模式向高频偏移;滑动速度越快,面内声学（LA和TA）模式增加的越多;而在更大的法向载荷下滑移会同时使LA,TA和ZA的模式数增多。更高的法向载荷和更厚的层数下,摩擦过程会使石墨烯晶格产生更大的形变,进而导致面内热导率增加,并最终提高了摩擦耗能效率。面内热导率的增加是较高摩擦力时接触界面温度反而较低的直接原因。探究了石墨烯层间不同公度性接触状态下声子输运对摩擦耗能的影响。当摩擦界面公度或接近公度接触时,石墨烯层间的相对滑动使界面的声子谱发生蓝移;而当界面非公度接触时,界面声子谱几乎不随滑动速度变化。公度接触时产生摩擦耗能的原因是在相对滑动界面激发出了大量的LA和TA模式,这些新激发模式是摩擦能量的有效耗散通道,而在非公度接触时,激发出的新声学声子模式极少。而且,即使在公度接触状态,当探针和基底受到相同的双轴应变时也能调控摩擦耗能通道。最后,量化了被激发的各声学模式对摩擦力的贡献,为通过激励频率调控摩擦耗能提供理论指导。提出了一种通过修饰接触材料的原子质量来控制界面声子谱的匹配度,进而调控摩擦力和界面热导的方法。德拜理论和分子动力学模拟均表明,声子谱的截止频率随原子质量的增大而减小。基于此,利用界面声子谱的耦合强度阐明了摩擦力和界面热导随接触表面原子质量呈非单调变化的内在机理。研究发现,当两接触表面原子质量接近时,界面声子模式重叠面积增大,相当于增加了声子在界面的输运通道,进而增强了声子穿越界面的能力,最终导致摩擦耗能和界面热导均增大。利用化学气相沉积法在二氧化硅基底上制备出二硫化钼和二硫化钨面内异质结实验样品,并就该异质结的摩擦磨损特性对法向载荷、滑动速度以及加载方式等工况参数的依赖关系进行探索。结果表明,二硫化钨和二硫化钼的摩擦系数均低于二氧化硅基底的摩擦系数,且二硫化钨的摩擦系数最低;探针和两种材料样品及基底表面都存在较强的粘附力,界面粘附强度均不随法向载荷的增大发生明显的变化。二硫化钼和二硫化钨的摩擦力基本都随滑动速度的增大呈指数增加,但摩擦力曲线出现了许多凸峰,说明摩擦力随速度指数增大的规律并不严格。最后发现当法向载荷超过临界值时,二硫化钼表面产生了较明显的磨损而剥离基底。本文的研究结果将为实现摩擦耗能的主动控制提供新的技术路线。