超硬材料广泛应用于国防和工业生产中,新型超硬材料的设计和合成备受关注。本文采用基于基因算法和粒子群优化算法的晶体结构预测技术,结合第一性原理总能的计算,开展了高压下新型B-C-N-O超硬材料的晶体结构设计,获得了以下创新性结果：1.提出了碳的新型同素异形体：超硬单斜碳,命名为M碳(M-carbon),其兼备石墨和金刚石的结构特征。M碳可能是四十年前实验所发现的常温后石墨高压相。2.理论确定了c-BC2N的晶体结构：虽然实验合成出了高硬度的c-BC2N(62/76 GPa),但其晶体结构一直存在很大的争议。我们首次提出c-BC2N的晶体结构是具有R3m空间群的菱方结构。3.提出c-BC5的晶体结构和空穴型导体的硬度机理：理论预言c-BC5的晶体结构具有正交Pmma对称性,并首次提出对于依靠空穴导电的导体,因电子仍然是局域的,在硬度计算时不必考虑金属性修正,这与电子导电的导体不同。4.设计了新型具有高电子密度和强共价键特征的灯笼型超硬材料(M@C12,M2@C12)：灯笼的“骨架”由三维碳原子组成,而“灯芯”则填充过渡族重金属元素或其它元素。此类新型超硬材料不仅硬度可以达到75 GPa,而且还可能具有导电特性,是寻找新型超硬-导电材料的理想体系。