材料的腐蚀是工业生产过程中面临的主要问题之一。金属材料经常直接暴露在易腐蚀的环境中,造成大量的工业设备腐蚀,致使设备使用寿命大幅缩短从而给世界各国造成巨大的经济损失和资源浪费。添加缓蚀剂是在工业生产过程中解决腐蚀问题的一种方便、经济、有效的方法。一种高效的缓蚀剂可以大幅降低金属设备的腐蚀速率,延长设备使用寿命以及节约能源和材料。有机缓蚀剂分子由于含有的N、O、S、P等强电负性杂原子和极性基团造成了缓蚀剂具有独特的界面活性,与金属表面接触时可自发吸附在金属表面形成可以抑制腐蚀的保护膜层,阻碍腐蚀性粒子侵蚀基体。缓蚀剂分子因吸附基团和结构的差异会影响缓蚀剂在金属表面上吸附能力,从而影响到缓蚀剂抑制腐蚀的效率。所以缓蚀剂的分子结构对缓蚀剂的缓蚀性能有着决定性的影响。从本质上来讲,有机分子在金属表面吸附成膜,吸附强度和吸附结构的变化是由电荷转移重新分布引起的。因此,认识吸附成键及电荷转移过程是明确缓蚀剂缓蚀作用的关键。因此本文对缓蚀剂分子在金属表面成键和电子转移信息进行了模拟计算,进一步从微观尺度揭示了缓蚀剂缓蚀作用机制,主要研究内容如下:1.设计合成了 4种不同疏水基团的咪唑啉季铵盐缓蚀剂,分析疏水基团上羟基和不饱和双键对咪唑啉分子前线轨道能级的影响,并用DFTB+计算方法探究咪唑啉分子与Fe（110）面吸附时的电荷差分密度、分波态密度和密立根电荷分布,分析结构的变化对缓蚀剂吸附性能的影响,再用电化学测试和SEM对缓蚀剂性能进行研究。结果发现疏水基团引入羟基和不饱和官能团后,缓蚀剂分子HOMO能级变大,电荷转移数量增加,成键强度增强,缓蚀效率增大。2.设计合成了 7种不同亲水基团的咪唑啉缓蚀剂,分析氨基、羟基、酰胺基团、不饱和双键和苯环等活性基团对咪唑啉分子前线轨道能级的影响,并用DFTB+计算方法探究这些基团对咪唑啉缓蚀剂在Fe（1 10）表面的成键和得失电子情况,再用电化学测试对缓蚀剂性能进行研究。结果发现亲水基引入极性基团后,LUMO能级变小,缓蚀剂分子与金属表面电荷转移数量增加,成键强度增强,抑制金属腐蚀的能力增大。3.系统总结了上述11种咪唑啉缓蚀剂前线轨道能级、电子转移及缓蚀效率之间的关系。发现咪唑啉分子的EHOMO和ELUMO能级与Fe表面的费米能级更匹配时,咪唑啉分子可以与Fe表面发生更多的电子转移,咪唑啉分子能够与基体形成更强的吸附键,增大金属腐蚀时的电荷转移阻力,从而增强咪唑啉的缓蚀性能,这说明咪唑啉分子的前线轨道能级大小与其缓蚀性能之间有明确的对应关系。4.通过电化学测试,AFM、吸附等温方程等研究了氨基、羟基和巯基基团对吡啶缓蚀剂分子缓蚀性能的影响,并用量子化学计算和第一性原理模拟解释了这些基团对缓蚀剂分子吸附成键作用机理。研究发现与缓蚀剂NI和OI相比,SI分子更容易与金属表面之间发生电子转移,与金属表面之间有更强的电荷密度,表明SI与金属表面之间的结合力强度最强。因此SI分子在金属表面上显示出最强抑制腐蚀能力,NI其次,OI最弱。5.采用SEM和XRD等方法研究了碳钢在CO2体系下腐蚀产物膜的特征。预腐蚀1小时和24小时后碳钢表面主要是Fe基体,预腐蚀72小时表面出现FeCO3。通过极化曲线和线性极化电阻技术分析了腐蚀产物膜对3种缓蚀剂缓蚀性能的影响。发现预腐蚀1小时的情况下,缓蚀剂BM和KL都有很强的抑制金属腐蚀能力,1227对基体几乎没有缓蚀作用。当预腐蚀24小时,缓蚀剂KL和1227对基体的缓蚀效率升高,BM缓蚀效率下降。随着预腐蚀时间的延长,3种缓蚀剂的缓蚀效率均都开始下降。由分子动力学模拟计算扩散系数发现,HCO-、H3O+、H2O和Cl-四种腐蚀介质在缓蚀剂BM分子膜层中扩散系数最小,1227扩散系数最大。通过DFTB+模拟计算三种缓蚀剂在Fe和FeCO3上的吸附能,发现缓蚀剂1227分子在FeCO3上的吸附能大于在Fe表面的吸附能,然而缓蚀剂BM和KL分子在FeCO3上的吸附能小于在Fe的吸附能。最终通过对以上几方面的研究,从微观尺度分析缓蚀剂分子与缓蚀性能关系,从而为今后缓蚀剂分子结构设计及优化提供理论参考。