金属与Al2O3的界面在很多工业领域都是一个关键的问题。例如陶瓷间或金属与陶瓷间的焊接、航空发动机高温合金叶片的防热涂层、化工上的异质催化、电子工业的陶瓷封装等等。　　 界面的微观结构和化学键组成往往决定着界面的结合性能。界面结合性质，在实验上是根据金属与陶瓷的润湿测量的：界面的显微结构可以通过显微分析手段观察到。但是这些分析手段一方面会受到具体材料的限制，另一方面它们很难给出界面的化学键信息，而这些在本质上决定了界面的结合。随着计算机技术和量子力学理论的发展，第一原理方法成为了一种非常重要的研究手段。所谓第一原理方法就是从原子和分子结构层次出发，不含有可调节的经验参数，通过求解薛定谔方程来得到材料的电子结构，从而预测材料的组分、结构和性能。它的精确程度在所有模拟方法中是最高的。　　 界面的结构和结合与界面组分和生成条件是密切相关的，对于金属和氧化物界面，一般是在有氧条件下生成的，氧气分压和金属活度等热力学要素是对界面结构影响的一个重要因素。如果我们能够建立界面生成环境与界面微观结构之间的联系，这对界面结合性能的提高具有重要的指导意义。　　 本论文首先通过第一原理计算结合热力学，研究了Ag、Au与Al2O3的界面结合与氧气分压的关系。Ag、Au与Al2O3的界面主要应用背景在电子工业和化学催化方面。我们研究了三种典型的界面结构分别是富Al(Al-rich)的、富氧(O-rich)的和化学配比界面。对于Ag与Al2O3的界面在不同的氧气分压下，界面可以是富氧的也可以是化学配比界面。对于化学配比界面，界面的结合不会受到氧气分压变化的影响；对于富氧的界面，界面的结合会随着氧气分压的增加而增加。对于Au与Al2O3的界面只存在化学配比界面，这样界面结合不会随氧气分压变化而变化，这些趋势与实验上的润湿角测量结果是一致的，此外笔者还计算了界面的结合能和分离功，这些定量结果与实验结果比较接近。从化学键角度，O-rich界面的化学键主要是的离子性，此外还存在金属电子的静电极化效果和一定的共价键特点。而化学计量比界面完全是金属电子的静电极化效果。Au的情况与Ag的不同主要在于Au的氧化物生成能要比Ag小，这最终归结到Au与Ag的电子结构上的差别。　　 本论文的第二部分是研究NiAl合金与Al2O3的界面结构和结合问题。这是影响航空发动机叶片热障涂层(Thermal barrier coatings，TBCs)涂层寿命的关键问题。在此之前，尽管有很多关于纯金属与Al2O3或其它陶瓷界面的计算，但是，世界上没有关于合金与陶瓷的相关理论模拟的报道，对于NiAl合金的氧化是一种选择性氧化，其它合金如FeAl、GeSi、MoSi2等存在这一现象。在合金氧化过程中致密的氧化膜如果可以形成那么就可能阻止氧化的继续进行，最终达到相对的平衡，我们的研究表明稳定的界面结构是与NiAl合金的比例和氧气分压有关的，在氧化初始阶段，氧气分压有决定性的作用，随着氧化膜的形成，界面的氧气分压会逐渐减小，这时对界面结构有影响的主要是合金的比例。我们发现对应于氧气分压和合金成分主要会有两种界面：一种是不存在明显界面区的界面，另一种Al2O3下存在明显的Ni-rich层的界面。通过我们的研究，笔者建立了NiAl合金与Al2O3的界面结构与氧气分压和合金成分之间的关系，这种研究方法可以推广到其它合金氧化物界面系统。此外我们还对昴面的分离功进行了计算，发现界面结合最薄弱的位置在界面的Al2O3中的Al与其它过剩的Al之间的位置。