金属腐蚀普遍存在,给经济生活,工业生产和科学技术等领域造成了严重危害。添加缓蚀剂是一种经济有效的方法。离子液体由于具有热稳定性好,化学稳定性高和电化学窗口宽等优点,已成为最具有潜力的缓蚀剂之一。目前离子液体缓蚀剂的选择和实验研究大多通过试错法进行,存在盲目性,周期长和成本高的问题。此外离子液体缓蚀剂在对金属表面的缓蚀机理也不清楚。针对这些问题,本文采用定量构效关系、量子化学和分子动力学模拟结合的方法对新型离子液体缓蚀剂进行设计,并研究其在碳钢、铝和铜表面上的的作用机制和缓蚀机理,为离子液体缓蚀剂的选择、设计和开发提供理论指导。采用量子化学和定量构效关系结合的方法建立了65种离子液体的15个微观结构参数与其物理化学性质之间关系,相关系数均在0.7以上。研究发现:随着咪唑环上烷基链的增长、咪唑环上甲基的引入或阴离子烷基链的增长,电子转移时,极化率和分子体积越大,能隙差和阴阳离子间相互作用能越小,相应地导致黏度越大,电导率、密度和表面张力越小以及电化学窗口越宽。采用量子化学和定量构效关系结合的方法将碳钢、铝及铜缓蚀剂的缓蚀效率与其结构参数和浓度进行了定量构效关系研究,相关系数均在0.8以上,能较好地预测缓蚀效率和浓度。结果显示:随着咪唑环上烷基链长的增加或甲基取代基的引入,极化率、电子转移数和分子体积越大,能隙差越小,导致缓蚀效率越高。结合软硬酸碱理论和协同作用,在1-丁基-4-甲基咪唑（[C₄MIM]⁺）上引入甲基以及最大限度地增长烷基侧链,根据所得定量构效关系选择合适的阴离子并组成复合型缓蚀剂,使缓蚀性能更好,阳离子设计为[C₁₅DMIM]⁺,NO₃^-和Ac^-作为碳钢缓蚀剂的阴离子,Br^-和TfO^-作为铝缓蚀剂的阴离子,HSO₄^-和Br^-作为铜缓蚀阴离子。采用量子化学和分子动力学模拟结合的方法研究了离子液体缓蚀剂1-癸基-3-甲基咪唑四氟化硼([C₁₀MIM]BF₄),1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟化硼([C₁₂MIM]BF₄),1-癸基-2,3-二甲基咪唑四氟化硼([C₁₀DMIM]BF₄)和1-十二烷基-2,3-二甲基咪唑四氟化硼([C₁₂DMIM]BF₄)在碳钢上的缓蚀机理。结果显示,咪唑环是主要活性位点,随着烷基链长的增加或甲基取代基的引入,咪唑环的供电子能力、分子反应活性、对腐蚀介质的扩散抑制能力以及缓蚀剂与铁表面的相互作用逐渐增强。通过缓蚀效率与结构参数的定量构效关系预测缓蚀效率顺序为[C₁₀MIM]BF₄<[C₁₂MIM]BF₄<[C₁₀DMIM]BF₄<[C₁₂DMIM]BF₄,与实验结果一致。在咪唑环上,N原子比C原子与铁表面之间有更强的相互作用,N原子可提供电子与Fe³⁺或Fe²⁺形成配位键。缓蚀剂通过化学作用吸附在铁表面上,导致腐蚀介质的扩散系数和数密度降低。研究了1-甲基-3-丁基咪唑硫酸氢盐（[BMIM]HSO₄）,1-甲基-3-己基咪唑硫酸氢盐（[HMIM]HSO₄）和1-甲基-3-辛基咪唑硫酸氢盐（[OMIM]HSO₄）在铜表面上的缓蚀机理。结果显示,随着咪唑环上烷基链长的增加,分子反应活性、对腐蚀介质的扩散抑制能力以及缓蚀剂与铜表面的相互作用增强。通过缓蚀效率与结构参数的定量构效关系预测缓蚀效率顺序为[BMIM]HSO₄<[HMIM]HSO₄<[OMIM]HSO₄,与实验结果一致。在咪唑环上,C原子比N原子与铜表面之间有更强的静电相互作用。缓蚀剂通过物理吸附在铜表面上形成保护膜,导致腐蚀介质的扩散系数和数密度降低。通过缓蚀效率与结构参数的定量构效关系预测得到了离子液体的缓蚀效率和浓度,发现与实验值较为符合,说明所建立的定量构效关系模型可靠。缓蚀剂的加入可有效抑制腐蚀介质与金属表面的相互作用,从而阻碍了电化学反应和金属的离子化过程,起到缓蚀作用。通过分子动力学模拟验证了新型离子液体缓蚀剂（碳钢缓蚀剂、铝缓蚀剂和铜缓蚀剂）分别在各金属表面上的缓蚀性能。通过缓蚀效率与结构参数的定量构效关系预测得到碳钢缓蚀剂([C₁₅DMIM]NO₃和[C₁₅DMIM]Ac)、铝缓蚀剂([C₁₅DMIM]TfO和[C₁₅DMIM]Br)以及铜缓蚀剂([C₁₅DMIM]HSO₄和[C₁₅DMIM]Br)的缓蚀效率均在87%以上。当烷基链上的碳数目增加至15时,缓蚀性能最佳。新型离子液体缓蚀剂在各金属表面上吸附成膜,导致腐蚀介质粒子对金属表面上的扩散能力降低,腐蚀介质粒子的数密度减少,有较好的缓蚀性能。