近年来,随着基础理论的不断拓展和计算机能力的飞速提高,计算模拟已逐渐成为独立于理论和实验之外的重要研究手段。其中,基于密度泛函理论的第一性原理计算已成为材料模拟中常规方法,被广泛应用于凝聚态物理、量子化学、生物医药和再生能源等各个与材料相关的学科领域。随着高压高温技术以及相应的实验测量技术的的不断发展,高温高压极限条件下大量材料新结构为人们所发现。由于这类材料往往具有很多优越性质,并能带来许多现实和潜在的应用价值,所以引起了研究者极大的兴趣。同时,在研究由高压引起的结构相变过程中,新的理论研究手段和方法的出现为凝聚态理论的发展提供了更多更有效的手段。正是基于这些因为,本文通过第一性原理计算的方法来阐述了材料结构相变理论基础和相关研究手段,同时提出自己的新方法。　　 本研究分为三个部分：第一章,主要介绍材料设计的基本概念和密度泛函理论的发展历程；力图在比较清晰的基本概念框架上,阐述本文的主要观点和方法。第二章,主要介绍了基于遗传进化算法,结合第一性原理预测材料结构这一新手段。本章根据材料结构的特点,阐述了对传统的遗传进化算法进行改造,以及相应的用于材料结构算法性能评价；此外,利用遗传进化算法对高压下N单质的新结构进行预测。该方法使材料结构预测的设想成为可能,为材料设计提供了新的手段,也为之后结构相变的研究提供了基础。第三章,在介绍过渡态理论和Nudged Elastic Band方法后,提出并改进得到Variable Cell Nudged Elastic Band方法。利用Variable Cell Nudged ElasticBand方法,研究材料B4→B1、B3→B1等类型的结构相变；并详细讨论了GaN、ZnO、AlN等材料的相变路径和势垒高度,为这些类型的相变机制的研究提供了重要的手段和结；此外,成功的指出B4→B1、B3→B1相变中最低能量路径也证实vc-NEB方法是一种对于研究过渡态结构相变问题有效方法。