本论文对新型的碳结构及其性能进行了理论和实验两个方面的研究。采用基于第一性原理的结构搜索软件CALYPSO、USPEX以及原子替换方法进行新型碳结构的搜索、预测,计算其可能具有的电子性质、机械性质等,提出可能的合成路径,来指导实验合成并解释实验现象。采用高温高压手段(Rockland Research T25压机),以高纯玻璃碳为原料,探索其在极端条件下的相变规律,合成新型碳材料,并测试其物理、化学、机械等性能。预测了石墨炔聚合物、石墨二炔聚合物和金刚石炔三类结构。由于石墨炔结构的多样性和相变过程的多样性,我们得到多种具有不同密度的石墨炔聚合物,其表现出或金属性或半导体性。由于石墨二炔相变中变形、成键的复杂性,我们得到多种可能在实验上共存的石墨二炔聚合物,它们具有金属性、窄的直接或准直接带隙。石墨炔和石墨二炔聚合物具有高的硬度、杨氏模量、孔隙率等优良特性。在金刚石的晶体结构中插入–C≡C–可以得到金刚石炔,它们表现出二维导电的半金属性、超高的硬度、高的抗拉强度和弹性模量等特性。预测了三类新型sp~2杂化的碳结构,明确了其不同于石墨的性能。第一类通过共价连接平行堆叠的石墨烯纳米带构成,是目前为止除石墨以外能量最低的三维sp~2杂化的碳结构,具有类似橡胶的拉伸特性,其最大拉伸应变是金刚石的13倍,石墨烯的7倍。第二类是通过共价连接垂直排列的石墨烯纳米带得到的,具有超导特性。指出了从石墨烯纳米带合成两类结构的方法。第三类是双原子层厚的二维类石墨烯结构,属于具有间接带隙的半导体。通过模拟高压试验,系统的研究了碳纳米管在高压下的相变机制,明确了其相变受到纳米管的自身特点(管壁数、直径、手性、堆叠方式)及外界压力作用(等静压、非等静压)的共同影响,得到的纳米管聚合物具有可调的导电性、高硬度/超硬、高杨氏模量等特性。研究了两类立方碳结构。第一类由笼型结构搭建而成,具有半导体性质。它们的密度较低,其中密度最小的fcc-C10的密度与C60相当,而密度最大的fcc-C32的密度略高于石墨。fcc-C32属于超硬材料,维氏硬度高达79.9GPa,fcc-C10属于韧性材料。第二类是通过碳三角形连接而成,其C-C具有“弯曲键”的特性,因而具有金属性。采用Cohen等人提出的立方碳bcc C6结构解释了实验合成的所谓“超密碳”,并指出该“超密碳”并不存在,其密度只有金刚石的83%。以玻璃碳为原料,在高压(25GPa)和高温(400°C、600°C、800°C、1000°C)的条件下合成了一类具有低密度、高硬度、高比强度、高弹性恢复的碳材料。压缩玻璃碳的微观结构是石墨烯片层之间发生交叉连接,含有sp~2和sp3杂化的碳原子。