近年来,关于纳米碳纤维的研究已经引起人们广泛的研究兴趣。纳米碳纤维具有许多独有的特性,如低密度、高比模量、高比强度、高导电性、比表面积大等,并且在催化剂和催化剂载体、锂离子二次电池阳极材料、双电层电容器电极、高效吸附剂、结构增强材料、场发射电子材料等方面具有很大的应用潜力。在本文中,首先利用不同制备方法得到了具有不同粒径分布的金属铜催化剂,并且利用这些催化剂分别进行了碳纤维的合成实验,研究了纳米金属铜催化剂的粒径对其所催化生长的碳纤维的生长形貌产生的影响,考察了反应温度对碳纤维生长习性的影响;通过对不同生长阶段的碳纤维的形态的考察,研究了具有多种生长模式的多枝状碳纤维的生长机理并建立生长模型;利用氢气对纳米金属颗粒表面的重构作用,研究了氢气的引入对具有高浓度Y型形貌特征的碳纤维生长的影响;利用对纳米螺旋碳纤维以及催化剂的高分辨透射电镜分析,研究了纳米螺旋碳纤维的生长机理。主要结果如下:(1)金属铜纳米催化剂的尺寸和反应温度对碳纤维形貌均产生重要影响。不同尺寸的纳米铜催化剂可以分别制备得到直线型碳纤维、纳米螺旋碳纤维和前两者的混合产物。由此得知,纳米铜催化剂颗粒尺寸不仅可以决定碳纤维的直径,而且还可直接影响碳纤维的形貌,即具有较大尺寸的金属铜催化剂易催化合成直线型碳纤维,而具有较小尺寸的催化剂颗粒一般能够合成纳米螺旋碳纤维。反应温度对碳纤维生长形貌同样可以产生影响,该温度直接影响到碳纤维的生长速率。在本文中,利用酒石酸铜催化剂前驱体在200 oC的温度下,制备得到了直线型碳纤维。(2)对碳纤维生长初期的纳米铜金属催化剂的团聚体进行了研究。通过不同生长时期的碳纤维的制备和表征,研究了多枝状碳纤维的生长机理,并对其建立了生长模型。研究表明组成催化剂聚集体的纳米铜颗粒所催化生长的碳纤维之间的生长方向不同,使得它们之间有可能产生内应力,最后导致了多枝状碳纤维的生成。(3)利用氢气对催化剂颗粒表面的作用,制备得到了高浓度的具有Y型结构特征的碳纤维。在279 o的反应温度条件下,氢气对金属铜催化剂聚集体的表面进行了修饰和重构,使得催化剂聚集体表面形成3个能够催化聚合碳纤维的生长晶面。在碳纤维的生长过程中,每个催化剂颗粒聚集体上同时生长了3根碳纤维,最终得到了具有Y型结构特征的碳纤维。(4)通过大量实验和电镜观察,对纳米螺旋碳纤维的生长机理进行了探讨,认为金属铜纳米催化剂颗粒的各向异性是碳纤维以螺旋形态生长的根本原因。在纳米螺旋碳纤维中的催化剂颗粒表层,可能有铜的氧化物存在。生长在同一个金属铜催化剂颗粒上的两根纳米螺旋碳纤维之间的夹角一般为70 o或110 o。