过渡金属的碳化物和氮化物(TMC和TMN)是有广泛应用的结构陶瓷材料。来源于其中过渡金属和碳或氮之间的强共价键连接，这些二元化合物具有高模量和高硬度等优异的力学性能，但其本征脆性却使得这类材料的可靠性较差且难加工，阻碍了它们更广泛的应用。为了解决二元碳化物和氮化物陶瓷的本征脆性，人们发展了一系列具有本征韧性的三元层状陶瓷，MAX相陶瓷是其中的代表。它是由强结合的M-X片层和密排的A原子面交替堆垛而成。这种独特的层状结构使得MAX相具有高模量、高损伤容限、良好的导电导热性、抗热冲击和抗高温氧化。这些优异的性能使得MAX相材料在高温结构陶瓷领域有着诱人的应用前景。随着近几年实验研究的不断深入，合成出了一些新的MAX相(如413相)，并发展出了一个新的三元层状陶瓷体系，Zr/Hf-Al-N体系。这些新材料的结构-性能关系尚不清楚。此外，关于一些典型MAX相的点缺陷机制、表面构型和性能随温度的变化等基本问题尚不完善或刚刚起步。这些问题的研究对MAX相作为高温结构陶瓷、先进核材料和薄膜材料的应用有重要意义。利用第一性原理计算方法，本文开展了以下几个方面的研究内容：　　 ⑴研究了一种新合成MAX相(Nb4AlC3)的相稳定性、成键特征和力学性能。按照实验上发现的Ta4AlC3两种多型相的晶体结构，我们构建了Nb4AlC3的两种多型相：α-Nb4AlC3和β-Nb4AlC3，分别研究了这两种多型相的力学稳定性和热力学稳定性。发现α-Nb4AlC3是热力学稳定相。通过对α-Nb4AlC3电子结构和力学性能的研究，预测出其具有和其它MAX相类似的成键特征和高损伤容限，同时具有高模量。　　 ⑵通过对新型三元层状陶瓷M3AlN(M=Hf和Zr)成键特征和力学性能的研究，构建了其晶体结构-性能关系。结果显示M3AlN具有典型层状陶瓷的成键特征：强结合的M-N单元和Al原子面交替堆垛，两个M-N单元靠M-Al弱键连接。预测了M3AlN的弹性性能，并提出其具有剪切模量与体模量之间的低比值和正的柯西压力，可能是一种准塑性陶瓷。计算了Hf3AlN的理想强度，发现其理想剪切强度较低，具有易发生剪切变形的性能。由此，我们预测M3AlN是一种新型的准塑性陶瓷，并随后被实验证实。另外，通过总结一系列层状可加工陶瓷的结构与性能关系，建立了理论判据来预测层状陶瓷的高损伤容限和准塑性。　　 ⑶计算了Ti3AC2(A=Si和Al)中各类本征点缺陷(包括空位、间隙和反位缺陷)的形成能，并考虑了化学势对形成能的影响。计算结果显示Vc、VA、Ai、ATi和TiA有较低的形成能，是材料中占主导的缺陷类型。计算了各个原子沿A原子面的扩散激活能。发现A原子面是Ti3AC2中各类原子的一个快速扩散通道。这种迁移机制可以和Ti3AC2的分解过程相联系，为其提供理论解释。我们从点缺陷机制的角度出发，解释了Ti3AC2的良好抗辐照损伤能力。　　 ⑷预测了三元层状陶瓷M2AlC(M=Ti、V和Cr)的稳定(0001)表面结构，并考虑了化学势对表面稳定性的影响。结果显示，Ti2AlC和V2AlC中Al-和M(C)-终结的(0001)表面可以在不同的化学势范围内稳定存在，而在Cr2AlC中，只有Al-终结的(0001)表面是稳定的。然后我们研究了Al-和M(C)-终结的(0001)表面的电子结构，阐明了表面区域原子价电子的重新分布情况。　　 ⑸结合第一性原理计算方法和准简谐近似晶格动力学，研究了Ti2AlC和Cr2AlC热学和力学性质随温度的变化。我们将理论计算的结果同其它理论计算和实验结果进行比较，结果显示本计算方法可以很好地描述Ti2AlC和Cr2AlC热膨胀的各向异性特征；和德拜-格林爱森模型方法相比，本方法计算的热膨胀系数与实验数据吻合得更好。然后计算了Ti2AlC和Cr2AlC热容随温度的变化。最后，预测出随温度的上升Cr2AlC的体模量下降得比Ti2AlC快。而且Cr2AlC具有比Ti2AlC更大的格林爱森常数，显示出Cr2AlC比Ti2AlC有更显著的非简谐效应。