铜及其合金具有优良的导电、导热性能,被广泛运用在电气工业、仪表工业、造船工业和机械制造工业等领域。但常规粗晶铜及其合金由于强度较低,已经难以满足工业生产中对其性能的要求。近年来,纳米晶纯铜及其合金的超高强度和良好导电、导热性能受到国内外学者的强烈关注。然而,纳米纯铜晶粒的晶界稳定性极差,在室温下即可发生失稳从而导致晶粒长大、材料性能衰退。晶界调控是改善晶界稳定性、力学性能等的可行途径,应用前景光明。本文借助晶界调控的先进理念,利用第一性原理计算方法,从电子和原子两个角度系统探讨了纯铜晶界的结构与性能关系,研究了合金元素在一些典型铜晶界中的偏析倾向,揭示了元素偏析对晶界性能的影响机制,对于纳米晶铜中晶界稳定性和力学性能的改善以及合金成分设计等具有重要的理论指导意义和参考价值。主要研究结果如下:（1）研究了Cu中12种常见的对称倾转晶界,计算了每种晶界的晶界能和断裂功,发现这些晶界的断裂功和晶界能成反比关系,且满足一次线性关系式:Y=-1.094X+3.170。12种晶界的热力学稳定性由高到低依次为Σ3[110]（111）>Σ11[110]（113）>Σ9[110]（221）>Σ19[110]（331）>Σ5[001]（210）>Σ3[110]（112）>Σ43[110]（335）>Σ27[110]（115）>Σ5[001]（310）>Σ17[110]（223）>Σ13[001]（320）>Σ17[001]（410）。（2）研究了铜合金中8种常用合金元素（Zr、Cr、Ag、Ca、Sn、Ni、Mg和Zn）分别在CuΣ5[001]（210）、Σ5[001]（310）和Σ11[110]（113）三个典型的对称倾转晶界中的偏析倾向。结果表明,Ni元素在三类晶界中均无偏析倾向,其余元素则均可偏析,元素偏析具有降低晶界能、稳定晶界的作用;偏析后能强化CuΣ5[001]（210）和Σ11[110]（113）晶界的合金元素为Zr和Cr,能强化CuΣ5[001]（310）晶界的元素则为Mg、Cr、Zr和Ag。（3）通过晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析发现,合金元素偏析导致晶界稳定性升高的微观机理在于偏析后费米能级以下区域中低能成键态电子数量增多,高能反键态电子数量减少。差分电荷密度分析表明,偏析元素与其周围近邻基体原子之间形成的类共价键电子分布是偏析诱导晶界强化的主要原因。（4）在CuΣ5[001]（210）晶界中,Zr、Cr共偏析对晶界的稳定化作用比它们各自单偏析时的作用更为显著,其强化作用比Cr单偏析时弱,但比Zr单偏析时强;Zr、Cr在CuΣ5[001]（310）晶界中不会发生共偏析现象;在CuΣ11[110]（113）晶界中,Zr、Cr共偏析对晶界的稳定化和强化作用都比它们各自单偏析时的作用更强。