空间液体润滑膜是保证航天器空间运动部件可靠运行的关键材料，未来超长寿命和超高可靠服役中的空间超高真空、交变高低温、原子氧、紫外光等苛刻耦合环境已远远超过一般液体润滑膜的性能极限，急需设计制备新一代空间润滑膜并建立其损伤机制和延寿理论。本论文以超长寿命多烷基环戊烷(MACs)空间润滑膜为导向目标，从固体纳米颗粒与MACs协同润滑和摩擦界面两方面入手，基于石墨烯的承载抗磨性、碳纳米管的“微轴承”减摩性、固体纳米颗粒的“第三体”特性结合 MACs 的润滑自修复优势，开展了纳米材料多元协同增强MACs润滑膜的多层次界面可控制备和摩擦学性能研究，揭示了润滑膜的多组分结构与空间摩擦学性能的关系规律，建立多环境下超长寿命MACs润滑膜的多层次界面设计模型和损伤理论。具体研究内容和结果如下：

1. 针对未来航天器运动部件对超低挥发性、高空间稳定性、优异空间润滑及长寿命液体润滑膜的要求，筛选了第三代高性能合成烃类空间润滑剂(多烷基环戊烷)和性能优异的多用途润滑剂(烷基咪唑离子液体)，探索了模拟的低地轨道环境(包括交变高低温、原子氧、紫外、电子和质子辐照)对两类润滑剂的破坏机制，调查了模拟的空间辐照环境对其摩擦性能的影响，并分析了两类润滑剂的摩擦机制。结果表明：强氧化性的原子氧和高能量的粒子(电子和质子)辐照对润滑剂分子的破坏程度较紫外辐照严重，原子氧辐照过程中氧原子插入了润滑剂的碳链之间破坏了润滑剂的化学健，同时与C原子结合生成了C=O、C-O-C等新键，并导致润滑剂的酸值增大；高能量的粒子轰击润滑剂分子，因碰撞效应和激发效应使润滑剂分子链断裂、内部电离，从而引发一系列化学反应和核反应；紫外辐照的能量相对较小，但足够强的紫外辐照能打断润滑剂的分子链，使润滑剂分子化学键断裂或交联。通过对辐照后润滑剂的物理化学性能和摩擦性能表征、分析，确定空间辐照对烷基咪唑离子液体的破坏程度和性能的影响比多烷基环戊烷小，因为此类高极性的离子液体不仅具有极低挥发性、高的热稳定性和热容，而且具有高的导电性能(存在内电场)，其空间环境下摩擦性能较好归因于离子液体润滑膜和摩擦化学反应膜的协同作用。

2. 依据易流动、自修复功能的MACs润滑膜与高承载抗磨的固体润滑剂相结合的润滑体系来提高MACs润滑膜的边界润滑性能以及在变工况下的多环境自适应特性。构思了低维碳纳米材料增强MACs润滑膜的协同润滑体系，将石墨烯的承载抗磨性和碳纳米管的减摩性与MACs的低摩擦自修复性能结合，从而获得在多种工况条件下都具有优异的摩擦学性能。然而，这些低维碳纳米材料因其强的分子间相互作用在分散过程中易团聚，形成的团聚颗粒反而增加了摩擦副表面损伤。因此，引入了表面改性技术修饰碳纳米材料，解决其难分散和易团聚问题，制备了烷基咪唑离子液体修饰的碳纳米材料不仅解决了分散和团聚问题，同时离子液体作为第三元摩擦学增强相，通过多元协同增强效应改善了MACs润滑膜的摩擦性能。

3. 制备了自润滑的固体纳米颗粒和传统液体添加剂增强MACs润滑膜的润滑体系，以及引入低摩擦、高硬度的类金刚石(DLC)制备了固液复合润滑体系，调查了它们在不同工况条件下的摩擦学行为， 发现固体纳米颗粒在高载荷下易形成吸附层增强了MACs的抗磨性能，液体添加剂在苛刻的工况条件下生成化学反应膜增强了MACs的摩擦性能；DLC作为硬质涂层，增强了基底材料的承载能力和抗磨性，与MACs相结合，从而进一步改善了润滑体系的摩擦学性能。

4. 鉴于低维碳纳米材料增强MACs润滑膜的协同润滑体系在空间辐照环境下具有优良的抗磨减摩性能，选择了石墨烯进行空间辐照试验，探索了石墨烯在空间辐照环境下的破坏机制，确定了石墨烯具有一定的空间环境自适应性能且能增强MACs的空间适应性。结果表明：强氧化性的原子氧可氧化石墨烯面上的碳原子生成二氧化碳；紫外辐照能消除石墨烯片层上的含氧官能团，使石墨烯片层结构更光滑、平整；高能粒子（电子和质子）轰击石墨烯面因碰撞效应和激发效应导致其晶格上的碳原子发生位移，形成空位或填隙原子，甚至使碳原子处于激发和电离态，为了达到新的能量平衡，这些原子尺度的缺陷(空穴、填隙原子和激发电离态的C原子)重新组合成五元环或七元环等结构。