碳原子由于具有独特的sp-,sp~2-,sp~3-杂化成键能力,能够形成多种结构和性质迥异的碳材料。自然状态下,其常以石墨、金刚石、无定形碳的形式存在。其中,以sp~3-杂化方式成键的金刚石是一种极具代表性的碳结构。金刚石具有高硬度、宽带隙、强化学稳定性、极好导热性、较小的波损耗和介电常数等优异性质,在石油/天然气/地热能钻探、电子/光电器件、航空航天、仪器仪表的精密加工等许多国民经济重要行业和高精尖领域得到了广泛的应用。一直以来,寻求性能优异、可与金刚石相媲美的新型功能型类金刚石结构都是最具挑战性的科学问题之一。探究与金刚石性质相媲美的新型类金刚石碳结构具有重要意义。本论文利用CALYPSO晶体结构预测软件并结合第一性原理计算方法,开展了新型类金刚石碳结构的预测和计算研究,并取得了以下结果:（1）新型超硬类金刚石碳结构的研究。预测得到了C16结构,因为其原胞中含有16个C原子,所以本文将其命名为C16。基于密度泛函理论对结构的稳定性、机械性质、硬度以及电子性质等进行了计算。研究结果表明C16结构为硬度为72.6 GPa,带隙为4.08 e V的直接带隙结构。（2）兼具超硬和超宽带隙的新型碳结构的理论研究。预测得到了Tri-C18结构,因为其所在晶系为三方晶系且对应原胞中含有18个碳原子,所以本文将其命名为Tri-C18。基于第一性原理计算对得到的Tri-C18进行了动力学、热力学、机械稳定性、硬度及电子性质的研究。结果表明,Tri-C18为稳定且兼具超硬（79GPa）和超宽带隙（6.32 e V）性质的类金刚石结构,其可能在深紫外区工作的电子或光电器件领域具有潜在的应用价值。更重要的是,Tri-C18的提出解决了烟囱烟灰所合成的未知碳相问题。（3）具有多孔结构的超硬碳相的研究。预测得到了八种具有多孔结构的碳相。通过对其进行热力学、动力学、机械性能、电子性质的理论计算发现在这八种多孔结构中有五种表现为超硬的性质,两种表现出较窄的直接带隙。所得到的超硬多孔结构在超级电容器、光催化等领域具有较大的应用潜能。