碳材料是人们最早接触和使用的材料之一,在众多领域中有着重要而广泛的应用。纳米金刚石除了具有块体金刚石固有特性外,还具有比表面积大、表面活性高、易于被化学基团修饰和功能化等特点,在复合材料、精密元件、生物医药和电化学降解等领域具有潜在应用前景。B4C依靠其中子吸收性能、高强度、高温稳定性和化学稳定性,一直被应用于中子吸收剂和轻质装甲材料中。作为P型半导体,低维结构B4C是最具前景的硬质材料之一,在高能量密度储能器件、纳米电子学和光学等领域中的应用引起了广泛关注和研究兴趣。商业化纳米金刚石以瞬态高温高压爆炸法为主要合成方法,开发一种更为安全、可靠、高效的合成方法是目前工业化生产需要面对的难题和挑战。纳米结构B4C材料尤其是超薄二维结构B4C膜,虽然引起了极大兴趣和关注,但是至今没有形成有效的合成方法。本文通过一种简单、高效、可控的热等离子体方法,以过渡性金属催化剂(Ni、Co、Mn)以及硅、碳为原料,在低于大气压气氛中成功制备出纳米金刚石粒子;以单质硼和碳为主要原料,通过控制反应气氛,成功制备出各类纳米结构B4C材料;通过添加氧化镁模板框架组分,成功制备出超薄二维B4C膜材料。研究了热等离子体法合成纳米金刚石和超薄二维B4C膜的形成机理,对超薄B4C膜光催化性能进行了实验测试。论文主要研究内容及结果如下:(1)在低于大气压条件下,分别以磁性ⅧB族金属(Ni、Co)和非磁性ⅦB族金属(Mn)作为催化剂,利用热等离子体原位合成纳米金刚石粒子。分析表明,金属Ni、Co和Mn与C可分别形成过饱和Ni(C)、Co(C)和Mn7C3(C)固溶体,随外界温度降低析出的C原子可以为金刚石相形成提供所需碳源。块体石墨和硅靶材蒸发的气态原子(C、Si)反应形成具有金刚石结构的β-SiC晶核,为有效碳源提供生长位点,制备出具有完整立方晶体结构的纳米金刚石粒子。研究表明,游离C原子可以在已生成的金刚石表面形成石墨层,阻碍金刚石相进一步生长;Si含量增加可导致金属-硅化合物副产物增加,不利于提高金刚石产率。进一步分析表明,金属催化剂组元可以与C形成短程有序Ni3C、Co3C和Mn3C结构,其中包含的C-C原子团具有与金刚石生长界面相似的晶体结构和电子结构,在高温条件下C-C原子团可分离出来,并在已经生成的金刚石相界面上进行堆垛,促进金刚石粒子的生长。实验揭示了利用金属组元高温固溶C作为有效碳源、以原位形成的斤SiC相为晶核种籽、瞬态急冷过程中金刚石相的形成规律。验证了金属固溶体中碳固溶度随温度变化量,在金刚石形成过程中的关键作用,拓展了利用非磁金属催化剂合成纳米金刚石的新途径。(2)以热等离子体为热源,使用无定形硼粉和石墨粉为混合原材料,制备多形态B4C纳米片、空心球以及超薄B4C膜。B4C纳米片相比较粒子,其共有性能都会得到提升,而且在电子领域具有很高的应用潜力。分析表明,在H2:Ar=1:2的气氛中可合成出具有层状结构的B4C颗粒;改变混合气氛比例(H2:Ar=1:6),合成出厚度约为10 nm的B4C纳米片,这是B4C初始晶核沿二维各向异性生长所导致,在电弧法中通过改变气氛可以控制B4C纳米片的形貌,尺寸等,这使在电弧法在制备B4C纳米片方面具有一定的意义。以氧化硼和石墨粉混合粉为原料时,因为氧原子的参与,制备出了直径为50-200 nm的B4C空心球,球壳为厚度在5-7 nm沿(0 21)晶面生长的B 4 C纳米片组成。使用电弧法成功制备出MgO框架,以MgO、无定形硼粉和石墨粉为原料,首次制备出由厚度约为1.5 nm的超薄二维B4C膜。这对B4C在其它领域的应用具有很大的意义。分析表明,这种超薄B4C膜的形成是以原位形成的MgO纳米纤维为模板框架,在其表面化合形成二维结构B4C团聚体,具有沿(021)晶面生长特征长大。由于受到MgO框架束缚,团聚体呈颗粒态,生成的B4C膜无法延伸,当除去MgO框架后得以舒展,形成超薄B4C膜。实验表明,其光学带隙为1.37 eV,对亚甲基蓝的光催化降解率可以达到99.4%,开辟了B4C在光催化领域的应用。