现代科技和工业的发展与结构材料和功能材料的创新息息相关。随着理论计算与模拟方法的不断发展,材料的力学、物理和化学性质可被准确预测,使得高性能结构材料和功能材料的理论设计变为现实。在此基础上,世界各科技强国纷纷实施材料基因组计划,设计并获得了多种高性能结构材料和功能材料,其中部分材料已被投入工业使用。利用结构（功能）材料理论设计新方法和新技术,以弹性模量、维氏硬度和介电常数等为目标性质,本论文研究旨在快速发现一些新型的耐高温过渡金属碳化物、高硬度过渡金属硼化物以及低介电无机材料。设计新型高性能耐高温结构材料对发展高超音速飞行器至关重要。本研究以耐高温过渡金属碳化物为研究对象,首先重点探讨了如何结合先进的结构预测算法和理论计算搜索潜在的热力学稳定过渡金属碳化物结构。其次,基于已知的结构和本次预测新发现的结构,本研究运用理论计算方法研究了不同过渡金属碳化物的力学性质（主要包括:弹性模量、韧脆性和维氏硬度等）。通过比较不同过渡金属碳化物的力学性质,本研究进一步探讨研究了过渡金属元素类型、碳原子比例及碳化物晶体结构类型对力学性质的影响规律。研究发现,对于间隙型碳化物来说,其结构中的碳空位浓度和分布类型对力学性质具有大的影响:碳空位会削弱弹性模量和硬度;相比于孤立分布的碳空位,相互连接的碳空位虽对弹性模量和硬度的削弱作用更显著但会增加材料韧性;不同晶体结构类型的过渡金属碳化物具有不同的力学性质:在同等化学组分下,complex型结构碳化物的弹性模量和维氏硬度可能会高于间隙型（fcc、hcp和sf型）碳化物。设计新型高（超）硬度材料对民用和军事工业都非常重要。以过渡金属硼化物为研究对象,本研究旨在利用理论计算发现一些新的具有本征高硬度的过渡金属硼化物。首先,本研究提出了一种能够较为合理的评价过渡金属硼化物维氏硬度的方法:对于某一给定的过渡金属硼化物,若其基于Chen-Niu模型预测的维氏硬度值与理想强度第一性原理计算值均比较高,则其实际维氏硬度极有可能也会高;其次,通过研究硼原子含量以及硼原子连接方式对过渡金属硼化物维氏硬度的影响,本研究揭示了本征高硬过渡金属硼化物共同具有的组分及结构特征:硼原子含量要高（一般不低于组分TMB2）,结构中不能含有TM-TM金属层,结构中硼原子连接方式为二维类石墨烯硼层和/或褶皱硼层或三维硼网络;进一步地,根据选定的组分及结构特征并结合理论计算,本研究在已知的过渡金属硼化物中快速筛选出了数十种具有潜在本征高硬度（维氏硬度预测值和理想强度计算值均大于30 GPa）的过渡金属硼化物。设计可靠的新型低介电常数材料是当前半导体行业的一大难题。已知的被广泛用于超大规模集成电路生产的有机（有机-无机）低介电材料的介电常数大致在2.5左右。寻找具有更低介电常数的材料是迫切需要的。本研究以合理设计具有不同介电常数的介电材料为指导,旨在快速发现一些具有超低介电常数的无机介电材料。本研究发展了一种根据配位多面体快速评估已知或假想材料介电常数的半经验方法并据此提出了合理设计低介电常数无机材料的准则:尽量选择具有低配位数、低电子极化率、低离子振动刚度和高体积的配位多面体化学体系;根据该设计方法,本研究进一步利用理论计算快速筛选和设计了几种新型的低介电无机材料（如Mg F2、Be F2和Si OF材料等,介电常数为2.5-3.0）。本论文的研究对于设计其他类型的结构材料和功能材料具有一定的借鉴意义。