氢进入材料会导致氢脆发生,通过抗氢脆表面设计,改善材料表面或表面钝化膜的性能,在材料表面或亚表面形成氢的阻挡层,使氢不能进入或者减少氢进入到材料内部,从而防止或延缓氢脆的发生。本论文利用第一性原理方法研究了氧化铁中元素掺杂对表面氢吸附及氢渗透的影响和表面涂层的阻氢性能,获得如下结果:(1)利用第一性原理方法研究了铬掺杂对铁截止面的α-Fe2O3薄膜性质的影响。结果表明,铬在α-Fe2O3(001)薄膜中的掺杂位置和掺杂浓度都对其电子结构和功函数有显著的影响。当α-Fe2O3薄膜中亚表面的铁原子被铬原子取代后,薄膜带隙减小,体系最稳定。此时功函数比纯α-Fe2O3薄膜增加了0.9 eV,这是由于价带顶氧原子的px和py电子态密度减小,动量较高的电子态减少,使得费米半径减小,体系费米能降低,从而使功函数增加。当α-Fe203薄膜中铬的掺杂浓度从4.2%增加到16.7%时,功函数先增加后减小。当铬的掺杂浓度为8.3%时,功函数达到最大值6.61 eV。因此铬在α-Fe203(001)薄膜中的掺杂有利于提高薄膜的抗腐蚀性能。(2)在此基础上,进一步计算了α-Fe2O3薄膜中铝、铬、镍掺杂对其表面氢吸附和氢渗透行为的影响。发现氢在α-Fe2O3薄膜表面易于解离,吸附能是-1.18 eV。当α-Fe2O3薄膜中掺杂了铝或铬以后,氢的吸附能分别减小了 0.03 eV和0.09 eV;而α-Fe2O3薄膜中掺杂了镍以后,氢的吸附能提高了 1.08 eV。当氢扩散到α-Fe2O3薄膜的亚表面后,氢原子占据了氧八面体间隙的位置,并与邻近的氧原子形成化学键。铝和铬掺杂后,氢吸附能降低了 0.01-0.22 eV,而镍掺杂使氢的吸附能增加了 0.82-0.96 eV。这些结果表明,铝和铬原子在α-Fe2O3薄膜中掺杂可以阻止氢在钝化膜表面吸附并防止氢扩散到钝化膜内部,进而阻止氢进入基体钢中,降低钢的氢损伤。而镍掺杂起到了相反的作用,能够促进氢在钝化膜表面的吸附和进一步扩散,因此不利于提高钝化膜的阻氢性能。(3)提出利用单层过渡金属硫族化合物作为涂层改善钢表面的性能,阻碍氢吸附与氢渗透。我们研究了二硫化钼(MoS2)涂层在铁表面的阻氢效应。研究发现,单层MoS2中的硫原子和表面铁原子可以形成化学键,界面间距是1.901 A,每个界面硫原子的平均结合能是-0.41 eV,说明MoS2可以比较牢固的键合在铁的表面。当氢吸附在MoS2涂层上,形成了 S-H键,MoS2涂层可以使氢在铁表面的吸附能从-0.55 eV提高到1.26 eV,说明MoS2可以有效的防止氢分子在铁表面的解离性吸附。而且,氢从MoS2表面扩散到铁表面的势垒较高。另外,单层的MoS2涂层可以使体系在平衡状态和发生应变时的功函数大幅提高,提高了抗腐蚀能力。进一步的研究表明,在铁表面覆盖单层MoSe2、WS2和WSe2涂层,几种过渡金属硫族化合物都有效降低了氢在铁表面的解离性吸附。说明利用过渡金属硫族化合物涂层能够有效抑制氢吸附或氢渗透,从而避免基体钢受到氢损伤。