阻氚涂层技术对未来商业聚变堆的经济性和安全性起着至关重要的作用。氧化铝（Al2O3）具有良好的阻氚性能、绝缘性能和高温力学性能,从而成为未来聚变堆阻氚涂层的重要候选材料。氧化铝具有非晶、η、γ、χ、δ、κ、θ和α相等多种相结构,其中α-A12O3阻氚性能最好,其阻氚因子高达105且结构稳定,高温力学性能优异。然而α-A12O3的形成温度过高,在涂层的制备过程中,会对基底材料造成热处理,使其发生再结晶,从而造成材料性能的下降。所以,当前文献中常见的Al2O3阻氚涂层成分主要为γ-Al2O3。聚变堆D-T反应产生的的高能中子撞击阻氚涂层,会在材料内部引入大量的辐照缺陷,从而会对材料的阻氚性能产生重要影响,然而其影响机理至今尚未完全理解。本文紧扣未来聚变堆设计和运行中氚自持的重大问题,采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟氢在辐照前后的α-Al2O3及γ-Al2O3内部的溶解、扩散和团簇行为,探索氢的存在形式,模拟辐照缺陷与氢的相互作用,并从原子尺度归纳总结出辐照损伤对Al2O3阻氚性能的影响机理,从微观角度指导阻氚涂层的制备和设计,进而调控涂层的阻氚性能。本文首先研究了氢在无辐照α-Al2O3内部的溶解和扩散行为,发现在缺陷α-Al2O3区域,氢在水和氢气环境条件下,分别以[VAl-H]-2和HO+1形式存在。而在无缺陷α-Al2O3区域,在水和氢气环境条件下,氢分别以Hi+1和原子对的形式存在。由于在致密均匀无辐照的α-Al2O3阻氚涂层内部,缺陷浓度非常低,而且[VAl-H]-2和HO+1的扩散能垒极高,所以α-Al2O3阻氚性能主要由氢在完美无缺陷区域的渗透行为控制。为了进一步确认氢原子对存在的可能性,本文研究了多个氢原子在同一八面体间隙的团簇行为,发现单个八面体间隙最多容纳3个氢原子,然而3个氢原子组成的团簇并不稳定。当只有两个氢原子时,团簇的形成能最低,结合能最高,而且两个氢原子之间的距离和结合能与空气中氢气分子一致。除此之外,氢原子对在α-Al2O3内部的扩散能垒为2.27eV与实验中得到的氢在单晶α-Al2O3中的扩散能垒一致。由此可以看出,在氢气条件下,氢在无缺陷α-Al2O3中是以原子对形式存在并扩散的。由于其溶解能和扩散能垒远高于结构材料,所以具有优异的阻氚性能。然后本文研究了不同辐照点缺陷与氢在α-Al2O3内部的相互作用,发现空位型辐照点缺陷对氢具有强烈的捕获作用,从而会形成氢-空位团簇。但是氢-空位团簇的扩散能垒极高,所以氢很难以此种形式扩散。O间隙原子也可以和氢结合形成OH-,而且其扩散能垒极小,在室温下就可以扩散。所以孤立的空位型缺陷可以提升α-Al2O3的阻氚性能,而氧间隙原子和铝空位团簇则会削弱其阻氚性能。此外,在无辐照条件下,氢在富氧环境中的形成能更低,所以氢在富氧条件下更容易渗透进入材料内部。而在辐照条件下,氢在富铝环境中的形成能更低,从而更容易渗入材料内部。由于低结晶性,γ-Al2O3的结构至今尚不清楚。所以本文选择了文献中常用的两种可能的γ-Al2O3结构一缺陷尖晶石和非尖晶石γ-Al2O3结构,探索氢在其内部的主要存在形式,计算其振动频率,并与文献中的实验值进行对比,寻找一种可以更加准确描述氢行为的结构模型。研究发现缺陷尖晶石和非尖晶石γ-Al2O3结构中的稳定点缺陷均为VAl-OIS-3、VAl-TIS-3、Oi-2、VO0和Ali+3。其中Al空位最稳定,而且VAl-OIS-3要比VAl-TIS-3更稳定。当氢原子进入γ-Al2O3内部,可以和这些点缺陷形成氢-缺陷团簇。在缺陷尖晶石γ-Al2O3结构中[VAl-TIS-H]-2更为稳定,相反在非尖晶石结构中[VAl-OIS-H]-2更为稳定。计算其频率发现缺陷尖晶石结构中的[VAl-TIS-H]-2 为 3608 cm-1,[VAl-OIS-H]-2 为 3374 cm-1 与实验结果非常吻合。所以缺陷尖晶石结构能够更加准确的描述氢在γ-Al2O3中的行为。最后我们研究了氢在辐照前后γ-Al2O3晶格中的溶解和扩散行为,并与α-Al2O3进行对比,探索α-Al2O3比γ-Al2O3阻氚性能好的原因,以及辐照点缺陷对其阻氚性能的影响机理。研究发现,在无辐照条件下,由于γ-Al2O3内部存在固有Al空位,而且这些Al空位沿[100]方向呈一字形排列,可以为氢提供快速扩散通道,而且氢在γ-Al2O3内部的形成能远低于其在α-Al2O3的形成能,所以α-Al2O3具有更加优良的阻氚性能。在辐照条件下,与α-Al2O3相似,γ-Al2O3内部的Al辐照空位可以捕获氢原子,阻碍氢的扩散,从而可以提升材料的阻氚性能,而氧间隙原子则会加速氢的扩散,从而会削弱材料的阻氚性能。本文通过基于密度泛函的第一性原理方法,系统的研究了两种不同相结构氧化铝的阻氚机理,以及不同辐照点缺陷对其阻氚性能的影响机理,为阻氚涂层的筛选、制备及辐照等实验提供了理论参考。