近年来,关于纳米碳纤维的研究已经引起人们的广泛兴趣。纳米碳纤维由于其在尺度上的原因,使得碳纤维表现出量子效应、小尺寸效应等。在宏观上具有低密度、高比模量、高比强度、高导电性、比表面积大等特性,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。尤其是螺旋碳纤维以其独特的螺旋结构,使其具有比直纤维更加优异的特性和应用前景。　　 在本文中,首先利用不同的制备方法制备了具有不同粒径分布和不同形貌的金属铜及其氧化物的催化剂,并且利用这些催化剂分别在不同条件下进行了碳纤维的合成实验。研究了不同成分、粒径和形貌的纳米金属催化剂对碳纤维的产量和形貌的影响;考察反应温度对碳纤维生长形貌和产量的影响;利用氢气对纳米金属颗粒表面的重构和催化还原作用,研究了氢气对纳米金属铜和氧化物的预处理作用对碳纤维的产量和形貌的影响;通过对纳米直纤维和螺旋碳纤维的透射电镜照片分析,研究了直纤维和纳米螺旋碳纤维的生长机理。主要结果如下:　　 (1)无论采用金属铜、氧化亚铜还是氧化铜作为反应的催化剂都能制备出直纤维和螺旋碳纤维的混合物。由此得出,采用还原性气体乙炔作为碳源进行碳纤维的生长时,金属纳米催化剂在沉积的过程中会发生还原的过程。但是不同成分的催化剂在碳纤维的产量上有差异,催化剂中的氧的含量会增加碳纤维的脱氢量和产量。粒径和形貌在对碳纤维生长形貌上表现出同向的作用,但是粒径的影响为主要的。当粒子的某一维尺寸在100nm以下时催化生长螺旋碳纤维,较大尺寸的催化剂催化合成直线型碳纤维。　　 (2)反应温度对碳纤维的形貌产生影响。温度作为吸附沉积的活化能,直接影响到纤维的产量和生长速率。在本文中,研究了碳纤维生长过程中的温度,得到350℃时达到最佳的碳纤维产量。并发现随着温度的升高,碳纤维的纯度有所提高。　　 (3)利用氢气对催化剂成分和颗粒表面的修饰作用,研究了碳纤维的产量和形貌上的变化,在本文中,氢气的预处理能够还原催化剂为铜,得到更加纯净的碳纤维,但是对形貌的影响不大。氢气在金属氧化物催化剂的产率上存在着抑制作用,对铜催化剂的影响不是很明显。　　 (4)通过大量的实验和电镜照片观察,对直纤维和纳米螺旋碳纤维的生长机理进行了探讨,认为金属铜催化剂颗粒的各向异性是碳纤维能够够以螺旋形貌的根本原因。以同一个催化剂颗粒生长的螺旋碳纤维之间夹角一般为70°或110°。　　 (5)通过碳纤维IR图谱分析得出,碳纤维并不是简单的聚乙炔结构,会发生不同程度的氧化。碳纤维对浓硝酸表现出很强的稳定性,而纤维中的催化剂粒子会被溶蚀掉而出现空洞。