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碳烟生成机理是燃烧科学研究领域的重要课题之一，而实验室预混火焰可为碳烟生成机理的研究提供良好的平台。本文在建立的实验室预混火焰燃烧分析系统平台上，研究了预混CH4/O2/N2火焰中碳烟颗粒生成历程、形貌结构演变及团聚动力学。论文的主要研究工作和结论如下：1.搭建了平面预混火焰燃烧分析系统，由McKenna平面预混燃烧系统、火焰温度测量系统、燃料供给系统以及热泳探针取样诊断系统（TSPD）等组成。该燃烧系统可以获得稳定的预混层流火焰，可精确控制混合气的燃空当量比和最高火焰温度。此外，TSPD取样系统可以对不同火焰高度的碳烟颗粒进行取样，以便对碳烟颗粒形成历程进行研究。2.利用TSPD取样系统、燃烧分析系统以及透射电镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）研究了碳烟颗粒的形成历程。结果表明：燃烧过程中，碳烟颗粒形貌变化经历三个阶段：冷凝态的碳烟，粒径约为17nm；初期碳烟颗粒，粒径约为8nm；成熟的碳烟颗粒，粒径分布介于10～30nm之间。3.研究并考察了火焰温度和燃空当量比对碳烟形貌和结构的影响。结果表明：TEM测得的基本粒子粒径介于5.7～31.4nm，主要集中在15～20nm，且呈单峰分布；AFM测得的体积当量球径介于1.6～32.8nm，碳烟颗粒的纵深比介于0.006～0.48，且随火焰高度和燃空当量比的变化，体积当量球径分布由单峰状变为双峰状。4.碳烟内部绝大多数微晶的长度、层面间距和曲率分别介于0.41～5.85nm、0.32～0.44nm和1～2，团聚态碳烟颗粒的分形维数介于1.57～2.01。随火焰温度升高，基本粒子的粒径减小，微晶的长度增加，曲率和层面间距减小，团聚态碳烟颗粒的分形维数也减小；随燃空当量比的增加，基本粒子的粒径增加，微晶的长度增加，曲率减小和层面间距减小，团聚态碳烟颗粒的分形维数也减小。上述结果表明随着火焰温度和燃空当量比的增加，碳烟的内部结构更加有序和组织化，且石墨化程度增加，氧化活性降低。5.分析了碳烟颗粒间的团聚力和团聚模型，并利用AFM测量了碳烟颗粒与探针间的作用力（Pull-off force）约为3.03±0.24nN，测量值与范德华力计算值接近，表明范德华力是引起碳烟颗粒间团聚重要因素之一。