Al和Al2O3都是重要的工程材料,由它们组成的陶瓷/金属界面,在工程应用和理论研究中都具有重要价值,并得到广泛应用和大量研究。然而,尽管已经报道了大量的研究成果,但对于Al2O3/Al界面这一既可润湿又不发生界面反应的典型陶瓷/金属体系,现有的研究仍不够充分,依然存在结果分散（如润湿行为）、认识差异（如界面结构）和内容缺乏（界面本征强度）等不足,更缺乏将界面形成过程和结构与性能的串联性研究及理论计算和实验相结合的关联性研究。由于Al2O3/Al界面区域仅为若干个原子层的厚度,仅依靠实验研究是非常困难的,难以实现对结构的形成过程和性能行为的串联性研究,而采用第一性原理计算的研究方法不但可以揭示界面的形成机制,在建立界面润湿行为及其与界面结构和性能的关系方面也具有优势。本论文采用第一性原理计算并辅以实验研究的方法,研究了Al的表面氧化过程、Al2O3表面的终端结构、Al原子在Al2O3表面上的吸附、迁移和形核的行为,以及Al2O3/Al界面结构的形成过程和本征强度,并采用实验方法研究了Al2O3/Al界面强度的变化规律。论文还采用理论计算和实验相结合的方法,研究了高强化效率的共溅射Al-B超过饱和固溶薄膜特殊的生长行为。论文得到如下主要结论:1.对Al的表面初期氧化行为的研究包括O2分子的吸附、解离,和O原子迁移、成岛及渗入亚表层等的阶段:O2分子以垂直方式靠近Al表面时其解离能垒为0.66e V,而平行靠近时解离无需激活能;解离后的单个O原子在Fcc位置吸附具有最低能量,而由表面迁移至此位置的激活能垒为0.68e V;多个O原子吸附后具有聚集趋势;随原子岛尺寸的增大可以降低O原子进入Al亚表层的激活能。2.Al2O3的（0001）表面存在Al-Ter、O-Ter和S＿Al-Ter三种形式的终端:绝对零度下,S＿Al-Ter的表面能最低,常温下Al-Ter的表面能最低,而随O分压的升高Al-Ter的表面能升高,O-Ter表面能降低。Al-Ter终端和O-Ter终端均对异质原子呈现强烈吸附,而对同质原子吸附较弱:Al在Al-Ter终端上表现出较强的吸附性,O在O-Ter终端的不稳定性,而S＿Al-Ter终端仅对Al具有吸附性,因而在富Al氛围下Al2O3表面为Al-Ter终端,在高O分压下可为O-Ter终端。高温下,Al2O3表面的Al原子蒸发后仍可在与表面相互作用下重新吸附,因而Al-Ter终端呈现温度稳定性;表面O原子在高温下的蒸发将导致O2分子的形成并逃逸表面,O-Ter终端不具温度稳定性。3.Al2O3/Al界面的形成与Al2O3表面的终端和吸附Al原子的能量密切相关:在O-Ter终端上,吸附原子能量低于1.34e V将形成含有非晶结构的界面,而能量提高后原子的吸附和迁移将使表面转变为Al-Ter。在Al-Ter终端上,通过Al原子吸附、迁移、形成原子岛及原子岛的长大最终将形成两种不同类型的界面结构:晶体Al原子在界面处与Al2O3表面Al原子形成Fcc结构的连续排列为稳定的I型结构;而晶体Al原子处于Al2O3表面Al原子的上方位置,并与Al2O3原子形成界面对称时为亚稳的II型结构。吸附Al原子能量小于0.64e V时,界面形成亚稳的II型结构;只有能量高于0.64e V,且有足够迁移时间的配合和位置调整后,界面才能形成稳定的I型界面结构。界面由亚稳结构转变为稳定结构需要Al原子获得高达1.60e V的激活能。4.理论仿真表明,稳定的I型界面,理想的拉伸和剪切强度都可达到与Al晶体相当的水平,分别为9.0GPa和2.14GPa;而亚稳态的II型界面虽然抗拉强度相当于Al晶体,但剪切强度却仅达Al晶体的～30%,为0.75GPa。对界面的实验研究发现,不与Al2O3直接撞击的Al薄膜680℃熔化后所得Al2O3/Al界面的剪切强度仅为40MPa,断裂产生于界面;随着温度的提高（Al原子能量提高）,界面强度提高,钎焊接头的断裂逐步由界面转移至钎缝之中,接头强度在840℃达到130MPa。溅射Al原子对Al2O3的直接撞击可产生一种―溅射润湿‖现象,在其作用下,薄膜680℃熔化后的钎焊接头强度就可达到140MPa高值,断裂产生于钎缝Al金属中。计算和实验结果揭示了,Al原子能量对Al2O3/Al界面结构形成和强度提高的关键作用,足够高的能量,可使Al2O3/Al界面形成具有良好润湿性的稳定I型结构并获得高强度。5.气相沉积粒子的高分散和高混合,以及薄膜的特殊生长方式使得B原子能够超过饱和地存在于Al的（111）生长面晶格中,而难以存在于（100）生长面,加之其对（111）生长面Hcp吸附位置的抑制,使得薄膜的（200）织构受到抑制而呈现极为强烈的（111）生长织构。B的间隙型超过饱和固溶薄膜具有很高的强化效率,薄膜在仅含1.89at.%B时就可达获得～6GPa的硬度。