碳元素凭借其独特的电子结构和理化性质，形成了为数众多的新型碳材料和碳结构。而在碳材料的制备方法中，化学气相沉积(chemical vapor deposition， CVD)由于其简便高效的特点而具有明显的优势。通过控制反应温度、压力、载气的种类和流速、碳源及催化剂等制备条件，可以得到人造金刚石、热解石墨、气相生长碳纤维、富勒烯和纳米碳管等产物。化学气相沉积产物的多样性，意味着该过程包含着复杂的反应过程和机理。同时也说明有可能通过改变外部实验条件来调节内部的反应途径，从而实现对产物的选择性制备。　　 本课题组采用CVD方法制备出了厘米尺度的树状气相生长碳结构(简称为碳树)。扫描电镜观察结果表明，该产物的形貌酷似自然界中的树木，呈现向三维空间生长的多分叉结构。这种独特的碳产物与以往文献中通过CVD方法得到的直线状气相生长碳纤维截然不同，其结构也明显复杂于文献中报道的分枝状碳纤维。本课题组在实验基础上提出了一个类似扩散限制凝聚(Diffusion-LimitedAggregation， DLA)的碳树生长机理。　　 本论文在课题组已有工作的基础上，研究碳树的制备工艺，对产物的组成、结构和性质进行表征和分析研究，全面系统地研究了实验条件对碳树产量、形貌和微观结构的影响，并在此基础上筛选合适的碳源、催化剂、生长促进剂、载气流速等制备条件，优化了碳树的制备工艺，最后结合实验结果进一步探讨了碳树的生长机理。通过上述几方面的研究，得到了以下结论：　　 1.对碳树样品组成、结构和性质的研究结果表明，碳树中的碳含量约为98wt％，是典型的碳纤维材料；碳树样品的比表面积只有6.3 m2/g，说明纤维表面比较光滑，内部几乎没有孔隙结构存在；碳树纤维的横截面为多层的同心圆结构，类似树木的年轮；在碳树的微观结构中，石墨层排列比较混乱，石墨化程度较差；碳树在空气中从600℃开始失重，650℃左右几乎完全失重，说明其抗氧化性还较弱。　　 2.硫元素对于碳树的生长具有非常重要的影响。当甲苯中含有适量的噻吩(0.01-0.5 v％)时，可以极大地促进碳树的生长，使产量提高30倍以上。但噻吩浓度过大会造成催化剂中毒，减少碳树产量。硫对碳树的形貌也有较大的影响。当甲苯中噻吩浓度在0.01-1 v％的范围内变化时，碳树形貌从树状三维多分枝结构，到较少分枝结构，然后又变化到多分枝、但分枝纤维变短、变弯曲的构型。　　 3.反应温度、载气流速、碳源、催化剂等制备条件对碳树的生长、形貌和微观结构具有显著的影响。反应温度较低时(1000-1050℃)，碳树纤维呈现球堆积形貌，表面凹凸不平，比较粗糙，碳树的分形维数较大，样品中铁元素的分布比较分散。在较高温度下(1100-1200℃)得到的碳树，纤维较长，表面光滑，其分形维数较低，碳树中铁元素向纤维的轴心部分富集。载气流速对于碳树的生长也有较大的影响，载气流速低于500 ml/min或高于4000 ml/min时都不能得到碳树。在对碳源的考察中，发现甲苯和苯等芳香烃类作为碳源时，碳树的生长较好。而脂肪族烃类作碳源时碳树不易生长，产量较小。对催化剂的考察发现，目前只有二茂铁能作为制备碳树的催化剂，而其它的铁、钴、镍盐则不能催化碳树的生长。　　 4.发现了许多新的实验现象：在热电偶套管杆部和石英管壁上也发现有碳树形成；发现硫元素对于碳树的生长具有相当显著的促进作用；此外，通过在原料中添加噻吩、减小甲苯流量同时缩短反应时间，我们成功地得到了具有纳米级直径尺寸的分枝状碳纤维。这些实验现象极大地丰富了我们对于树状碳结构的认识，同时，有些实验现象不易用DLA生长模型来解释。因此，还需要我们进行更深入的研究工作，以完善碳树的生长机理。