载人航天器中装备安装有泵驱动流体回路系统,该系统通过液体传热介质的单相对流传热实现热控制。然而,液体工质的导热系数很低,很难满足散热系统高效传热和流体机械减摩技术的需要。纳米流体能够通过添加适当的纳米颗粒来提高换热能力、减少摩擦磨损。通过传热工质中添加碳纳米粒子,可望研制出兼具高效换热与减磨润滑综合力热性能的新型换热介质。本文针对航天器流体回路系统对高效传热技术和流体机械减摩技术的需求,围绕航天器内回路传热工质（水,乙二醇溶液）与外回路传热工质（全氟三乙胺）,进行了多种维度纳米碳材料（石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石）的表面修饰。通过氧终端修饰,基于羟基,羧基等亲水性基团,利用静电稳定作用获得了稳定分散去离子水基纳米流体。通过优化CF键合特性和F/C比,基于等离子氟化法在石墨烯表面直接进行氟终端修饰,利用空间位阻作用将氟化石墨烯直接分散于全氟三乙胺中,由于高度氟化,全氟三乙胺纳米流体可以同时实现绝缘和稳定分散。实验结果表明,静置状态下,碳纳米粒子的加入均有效地提高了基液导热系数。在333K时,碳纳米管纳米流体导热系数增幅达到6.0%。303K时,氟化石墨烯纳米流体导热系数相较于基液增加了5.4%。随着碳纳米粒子团簇体尺寸的减小和体积分数的增加,碳系纳米流体的布朗运动加剧,其导热系数增大。对于石墨烯纳米流体,当两片石墨烯表面附着的液膜层接触时,极大降低了热阻,进一步增大纳米流体的导热系数。通过泵驱动流体回路系统换热实验,实现了碳系纳米流体能够高效强化对流换热。动态运行状态下,纳米流体的对流换热强度随碳纳米粒子体积分数和雷诺数的增加而增加。氟化石墨烯纳米流体的对流换热系数提高了 34.7%以上。当加入碳纳米颗粒时,微扰动会促进速度边界层的破坏和不连续性,从而使边界层的实际厚度减小。增加碳纳米颗粒的体积分数可以增加微扰动粒子的数量。提高环境温度可以增强微扰动的强度。等效效应降低了界面的速度梯度,从而提高了实际的换热效果。基于纳米流体在工作腔中的对流换热现象,采用流体力学软件Fluent对其进行数值模拟,应用层流模型,研究了纳米粒子体积份额与碳系纳米流体导热系数的相关性,优化获得最佳的对流换热系数等性能。结合纳米流体分散稳定性,导热特性,优化得到最佳浓度区间为 0.05vol%-0.15vol%。通过研究碳系纳米流体减磨润滑特性,实现了碳系纳米流体热力耦合综合性能调控。对于氧化石墨烯纳米流体,与去离子水基液相比,摩擦系数降低了 71%。磨损损失减少18.5%。氧化石墨烯/纳米金刚石纳米流体与基液相比,摩擦系数降低了 42.3%。经过电子辐照处理后,氧化石墨烯/纳米金刚石在1110cm-1处产生了新的亲水基团,增强了纳米流体的分散性,增强了其减摩效果。当氧化石墨烯/纳米金刚石比例为1/3时,摩擦系数较基液降低78.6%。碳纳米管纳米流体与纯基液相比,摩擦系数降低了 15.4%,磨损损失减少了 78.2%。与全氟三乙胺基液相比,氟化石墨烯纳米流体的摩擦系数降低了 66.6%。碳系纳米流体具有良好的摩擦学性能,提高了长期运动部件的耐磨性和承载能力。这将为纳米流体在冷却流体回路中的应用提供理论依据和实验支持。通过研究碳系纳米流体的工作稳定性,建立了碳系纳米流体对于典型流体回路系统性能提升效果的评价方法。碳系纳米流体在使用热流密度范围内,分子结构稳定,表面官能团无明显变化。综合分析碳系纳米流体的分散稳定性,对流换热性能,减磨润滑性能,石墨烯纳米流体综合性能显著优于碳纳米管纳米流体与纳米金刚石纳米流体,能够兼具优异的稳定分散,高效传热与减磨润滑的综合性能。实现了纳米碳材料悬浮稳定与分散的功能化修饰,获得了具有良好热力耦合综合性能的碳系纳米流体。完成了纳米流体导热系数、润湿性等物理性能表征,获得了工况环境下碳系纳米流体体积份额、雷诺数等参数对工作腔中纳米流体对流换热特性的影响规律,建立了可靠的碳系纳米流体对流换热特性数值计算模型,建立了碳系纳米流体对流传热特性的理论基础。通过摩擦系数等力学性能表征揭示了传热工质中纳米碳材料添加剂的润滑机理,支持未来长寿命、高效率换热的流体回路技术的发展。