1960年H.Nowotny及其同事首次发现了一类新的纳米层状过渡金属碳化物和/或氮化物,当时称为H相,现在称为MAX相。常用式Mn+1AXn通常表示这些三元化合物（其中M代表早期过渡金属,A代表IIIA-或IVA-族元素,X代表C或N,n=1-3）。六方晶体结构中的MAX相结晶在（空间群P63/mmc,编号194）,其中MX6八面体A族原子层在c方向生长,从而形成了强共价M-X键和相对较弱的金属M-A键的混合物。由于其独特的层状结构,MAX相兼顾了金属和陶瓷的混合性能,例如低密度、可加工性、导热性、导电性、损伤和辐照耐受性、抗氧化性和耐蚀性等优势。不论是从微电子,还是到航空航天,这些显著的特性都能使MAX相得到很好的应用。此外,这些三元化合物可以通过A元素的选择性刻蚀被剥离成2D纳米晶（MXenes）,适用于锂离子电池、钠离子电池和超级电容器,从而进一步拓宽了研究者的领域。现在大多科技工作者的研究热点都是基于密度泛函理论（DFT）对材料进行新的设计。利用量子力学的概念和实验输入,密度泛函理论能够准确地预测固体的晶格参数、电子结构、热机械性质等性质。这项研究工作提出了预测新的MAX相化合物的路线图。M2AC和M3AC2体系也可称为211和312MAX相。在优化的晶格参数下预测了它们的电子、力学、热力学和光学性质。此研究中选择了前人文献中未研究的成分MAX相,以填补研究空白。此外,还研究了压力和温度对M2AC相物理性能的影响。新的热力学稳定的M2AC相预测结果有利于研究（0001）界面的薄膜性能。同时,Cr2AlC和Zr2AlC相也被用来预测涂层的表面性能。为了验证计算结果,采用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）方法制备了Cr2AlC薄膜。为了提高基体材料的表面性能,研究了TiBw/Ti6Al4V钛基复合材料表面Cr2AlCMAX相薄膜的力学性能。本文还利用第一性原理密度泛函理论研究了含贵金属Ti3AuC2MAX相的基态物理性质,研究了过渡元素Ti（V和Cr）的取代对材料的结构、电子、力学、热学和光学性能的影响。当用V和Cr元素取代Ti时,点阵参数减小,Ti3AuC2MAX相的优化点阵参数与试验得到的结果一致。M3AuC2（M=Ti,V和Cr）相的热力学和力学稳定性由形核能、内聚能和弹性常数确定,电子结构研究结果表明,这些相具有金属性质和电各向异性,且M3AuC2的键合性能受M元素的影响。根据占据位态密度峰的位置和高度,它们的相对成键顺序为Cr3AuC2＞V3AuC2＞Ti3AuC2,这也从电荷密度分布图上得到了证实。研究结果表明,M3AuC2具有韧性、可加工性、硬度小、抗热震性好、弹性各向异性等特点,通过计算得到的费米面具有准二维拓扑结构,表明Cr3AuC2具有超导电性的可能性。为了了解M3AuC2MAX相在恶劣环境下的特性,本文采用了温度范围为0-1600K,压力范围为0-50GPa的准调和Debye模型。此外,本文还测算了热导率和熔化温度,以进一步了解高温涂层应用中MAX相的潜力。就光学性质而言,这些MAX相位在可见光和紫外区域具有合理的吸收系数。M3AuC2相的偏振态＜100＞和＜001＞在可见光区的反射率几乎都在45%以上,这使得它们成为减少太阳辐射加热的潜在涂层。采用密度泛函理论方法设计新的热力学稳定的MAX相,我们首先通过设置k点和截止能量等参数,在正确的Wykoff原子位置下检验结构的收敛性。采用基于广义梯度近似（GGA）和局域密度近似（LDA）的第一性原理计算方法,研究了211型M2GaC（M=Zr,Hf）MAX相的基态电子、结构、动力学、弹性和光学性质。优化后的晶格参数为将来的理论和实验研究提供了一个参考,通过计算得出弹性常数与现有数据非常吻合。此外,获得的弹性常数表明,Zr2GaC和Hf2GaCMAX相在性质上都是脆性的。能带结构和态密度分析表明,由于M-d和C-p杂化,这些MAX相是M-C原子间具有强定向键的导电体。形成能、结合能和生成焓表明,这些化合物是热力学稳定的,且可以通过试验实现。除了观察M2GaCMAX相的稳定性之外,本文还研究了其在高温高压下的热机械性能。在文中,给出了电子结构和机械性能的初步研究结果。在给定的压力范围内（0-50GPa）,Zr2GaC和Hf2GaCMAX相都具有机械稳定性,随着压力的增加,变形抗力也随之升高。在较高的压力下,这两种MAX相的力学行为都由脆性转变为韧性。预测和讨论了材料的弹性常数、体积模量、剪切模量、泊松比、各向异性和普氏比（B/G）。值得注意的是,M2GaC（M=Zr,Hf）MAX相具有力学和光电的各向异性,力学各向异性程度随压力的增加而增加。最后,利用非平衡吉布斯函数的准简谐德拜模型,分别在0～1600K和0～50GPa的温度和压力范围内,研究了温度和压力对M2GaC（M=Zr,Hf）的体积、热容、德拜温度、Grüneisen参数和热膨胀系数的影响。由于MAX相具有优异的耐高温氧化、耐腐蚀和耐磨性,本文还研究了MAX相的表面性质,研究了M2AC（M=Zr,Hf,Cr;A=Al,Ga）中（0001）表面的相稳定性和光电性能,并与相应的体材料进行了比较。从电子结构（包括费米表面）方面,讨论了化学键与电荷分布之间的相互作用,费米表面的A端具有复杂的六角形柱形截面,并有向上弯曲的带状延伸,而Cr2AlC中的Al（0001）端具有锯齿形的圆形截面。通过断裂M-C和M-A键,考虑了四种可能的（0001）界面,其中M-C键的解理能高于M-A键,Cr2AlC中的Cr-Al键比其它M-A键强。价态A-p电子的电荷密度在表面积上重新分布,这与体电荷密度不同。由于其较低的表面能,A-和M（C）界面的（0001）是最稳定的,从能量角度来说也是最容易终止的。从（0001）表面的光学性能研究结果表明,M2AC的涂层具有介电和光导的以及良好的吸收系数性能。为了验证计算的结果,本文采用高功率脉冲磁控溅射（HighPowerImpulseMagnetronSputtering,HiPIMS）沉积了Cr2AlCMAX相涂层。相较于传统直流磁控溅射（DirectCurrentMagnetronSputtering,DCMS）,高功率脉冲磁控溅射是一种新型的物理气相沉积技术。高功率脉冲磁控溅射具有形成结构致密、形貌光滑的优质涂层的能力。然而,采用高功率脉冲磁控溅射沉积MAX相涂层的研究却少有报道。本文选择了TiBw/Ti6Al4V复合材料为基体,该材料有很好的高温强度,在其表面制备MAX相可进一步提高其表面性能。本文研究了平均功率（通过改变脉冲宽度和频率）对Cr2AlCMAX相涂层沉积速率、显微结构、晶体取向和电流波形的影响,并与传统直流磁控溅射沉积的涂层进行了比较。研究结果表明,脉冲宽度对高功率脉冲磁控溅射平均功率的影响比频率更为显著。XRD结果表明,原位退火可使非晶Cr-Al-C涂层转变为多晶Cr2AlCMAX相。本文关于对Cr2AlCMAX相表面性能的理论预测表明,由于表面能最低（0001）基面是最稳定的取向。X射线衍射分析表明,＜006＞为第一性原理研究的最佳取向。Cr2AlC薄膜的晶格常数a=2.85（?）和c=12.87（?）与Cr2AlC涂层的理论预测和实验结果一致。Cr2AlC涂层的沉积速率、温度以及粗糙度取决于平均功率,沉积速率由16.5提高到56.3nm/min。与此同时,高功率脉冲磁控溅射制备的Cr2AlCMAX相涂层表现出了优良的断裂韧性和良好的耐磨性,硬度和模量分别提高到19.7GPa和286GPa,主要是由于致密的表面形貌所致。这些维氏硬度和弹性模量实验结果验证了Cr2AlC的模拟计算结果Hv=22.9GPa和E=306GPa的正确性。通过研究本文还发现了MAX相都有显著的形核能,具有陶瓷和金属特性的性质,并且都是导电的,电子结构显示过渡金属的d轨道有助于电输运。本论文的研究结果旨在给将来MAX相能够用于高温应用、保护涂层材料、新型MXenes的前驱体和光学器件中,提供理论支撑和数据支持。