富勒烯和纳米碳管是1985年和1991年发现的新型碳纳米材料,因其独特的结构特点和优异的性能而引起广泛的重视,成为纳米科技中的重要分支。本文主要研究纳米碳材料富勒烯和纳米碳管的结构、合成、萃取、提纯、分离、性质及其应用。本文分为七章,在第一章中综述了碳纳米材料富勒烯和纳米碳管的结构特点、一般性质、研究方法及其应用前景,综述了国内外在富勒烯和纳米碳管的研究方面的最新进展。第二章给出了用阳极弧蒸发石墨法合成及用甲苯萃取富勒烯C₆₀和C₇₀的技术、并用高效液相色谱法分离C₆₀和C₇₀的技术,研究了影响制备C₆₀和C₇₀的产率的各种因素,诸如工作气体种类、弧电流大小、气压、电弧稳定性、阴阳极石墨的纯度等,得到其最佳制备条件,用自己研制的装置得到产率高达17%的制备宏观量的C₆₀和C₇₀。第三章研究了C₆₀的衍生物和掺S薄膜的性质。合成了C₆₀的内修饰衍生物La@C₆₀、外修饰衍生物C₆₀Br₂₄及水溶性多羟基富勒醇C₆₀（OH）_n,并研究了它们的结构性质和质谱、红外吸收谱、核磁共振谱、高效液相色谱等波谱性质。制备了掺S的C₆₀薄膜,并研究其电学性质,发现了其半导体特性。在第四章给出了用阳极弧等离子体蒸发内含金属催化剂（Fe,Co,Ni）的石墨棒合成单壁纳米碳管的技术及其最佳实验条件,同时用化学气相沉积法合成了纯度高、定向排列单壁纳米碳管阵列,并用TEM、SEM、TGA、XRD和Raman谱技术对所合成的纳米碳管进行了多方面的表征,表明用阳极弧等离子体法合成的纳米碳管是结构缺陷少、准直、可广泛应用于探针和纳米电子器件的优质单壁纳米碳管及其管束,但是粗产物内含大量无定型碳和金属碳化物等杂质粒子。用气相氧化法、强酸氧化法和分部提纯法对电弧放电法合成的产物进行了提纯,得到了高收率、高纯度的单壁纳米碳管。研究了催化剂种类和含量、弧电流大小、缓冲气体种类、气压等诸多因素对纳米碳管产率和质量的影响,得到最佳的制备条件。提出弧电流的磁致收缩效应是生成高质量准直单壁纳米碳管及其管束的主要原因。第五章中研究了富勒烯和纳米碳管的一般结构特点,并探讨了其形成机理。提出碳笼的稳定性与碳笼的对称性相关,对称性越高,稳定性越高,同时其产率越高的理论。理论计算了单壁纳米碳管的结构,并理论推导和数值计算了单壁纳米碳管及其管束的密度与杨氏模量随碳管直径变化的关系。第六章研究了纳米碳管复合材料,用拉伸法合成了单壁纳米碳管均匀分布并延拉伸方向定向排列的SWNT/PMMA复合材料,其电学性质和力学性质具有各向异性。含3 wt%纳米碳管的复合材料的电导率比纯PMMA提高了8个数量级,拉伸率从3500提高到5000,碳管的加入使复合材料的热学稳定性明显提高。研究了纳米碳管的定向排列技术,提出了在流速梯度场中和用拉伸法定向排列纳米碳管的技术。用阳极弧等离子体蒸发富含磁性材料粉末的石墨棒合成了碳纳米管包覆磁性纳米材