本文根据当今社会对能源的迫切需求,进行了相关材料学方面的研究。首先简要介绍了核能的出现及对其迫切的需求状况和锆铪合金在核能工业中重要的应用。现有核设施中,锆合金广泛应用在核包覆材料中,而铪合金主要用于控制棒。在锆合金或铪合金中,氢的出现往往导致材料产生氢脆,从而影响其使用寿命,严重时甚至导致核泄漏事故发生。尽管氢与锆合金或铪合金之间的作用引起了科学家们的广泛关注,但是氢与锆合金或铪合金之间的作用机理及其相变在文献中存在着很多的矛盾和争议。因此,本文应用第一性原理的方法系统全面地从电子结构的角度研究了锆氢和铪氢系统的结构稳定性、力学稳定性、相变及其本征机理。结果表明,在0≤H/Zr<0.337时,氢占据在HCP结构的四面体间隙位置是最稳定结构；而0.337≤H/Zr<0.595及0.595≤H/Z≤1时,分别是氢占据FCC结构的八面体间隙位置和氢占据FCC结构的四面体间隙位置时最稳定。总体来说,氢原子更倾向于占据HCP结构和BCC结构的四面体间隙位置；而对于FCC结构,当0<H/Zr<0.595时,氢原子趋于占据八面体间隙位置,而H/Zr≥0.595时,氢原子趋于占据四面体间隙位置。氢的占位也对锆氢系统的力学性能有很重要的影响：在0≤H/Zr<0.337和0.595≤H/Zr≤1时,HCP(T)和FCC(T)比纯锆HCP相脆,可能是导致锆氢系统的脆性及延迟氢化龟裂的主要原因。此外,本文用两种各向异性的准则来反映不同锆氢相的弹性各向异性,从而将其弹性各向异性与结构稳定性联系起来。对于H/Zr≥1的立方萤石结构(fcc,δ相),面心四方结构(fct:ε相,c/a<1;γ相,c/a>1)的锆氢相ZrHx(x=1,1.25,1.5,1.75,2),其具有负的生成热,范围是-30到-56kj/(mol·H),从热力学上判断其均能稳定存在；值得注意的是在成分相同时,FCC和FCT结构彼此之间的能量差别很小。通过对ZrHx相的力学性能的研究,FCC和FCT结构ZrHx相的存在与否主要决定于其力学稳定性。进而得到ZrHx相随氢含量发生6→ε相变的本征相变范围是x≥1.5。而发生这一相变的根本原因是δ相的力学不稳定性使得基体发生沿{110}<110>的剪切,从而导致8→ε相变。电子结构的计算揭示了δ相的力学不稳定性的根本原因是电子在沿着某些方向产生的范霍夫奇点和简并带,导致在费米能级附近具有高的态密度而变得不稳定。结果还表明,自旋轨道耦合效应对于立方萤石结构(fcc,δ相),面心四方结构(fct:ε相,c/a<1;γ相,c/a>1)的HfHx(x=1,1.25,1.5,1.75,2)相的稳定性具有重要影响,主要体现在其降低了HfHx的总能。然而自旋轨道耦合效应对FCC相的点阵常数以及每种相的原子结构和结构稳定性的影响却很小。计算还表明,力学稳定性而不是热力学稳定性,主要决定着铪氢相HfHx的晶体结构以及δ,γ和ε的相变。通过分析δ,γ和ε结构的力学稳定性,得到δ→ε相变的本征相变范围是1.75≤x≤2,这一结果解释了文献中存在的矛盾。另外,简并带的劈裂以及费米能级处的态密度的改变从根本上解释了自旋轨道耦合对不同铪氢相HfHx的稳定性的影响。