金刚石和石墨是典型的碳原子分别由全sp~3和全sp~2杂化之后形成的碳晶体。不同的杂化方式使得二者性质有巨大差异,金刚石内部强σ键构筑的空间网络结构使其成为自然界中最硬的材料,而石墨的层间弱相互作用则导致其质地柔软,且具有良好的导电能力。而当碳原子排列不具有长程周期性时则形成了非晶态碳材料。非晶碳的结构与性质取决于其内部sp~3与sp~2杂化键成分的相对比例,研究表明随着其内部sp~3杂化键成分的不断增加,非晶碳材料展现出更加优异的力学、光学和热学性质。然而,与金刚石相对应的、由全sp~3键形成的非晶碳块体材料却一直未能实现,是碳材料领域长期未能突破的科学难题。高压作为一种极端物理条件,可以改变原子间相互作用,调节其成键方式,有效促进碳材料中碳原子由sp~2向sp~3发生成键转变。本论文选取富勒烯C60/C70和玻璃碳作为碳源,利用自主发展的大腔体压机超高压高温产生技术,对其在超高压区向高sp~3含量的非晶碳转变进行了探索研究,并结合多种先进的测试手段,对sp~3非晶碳样品的结构、性质以及其相互之间的关联进行了分析。获得了以下研究结果:1.建立了基于大腔体压机的超高压关键技术,在Walker型1000吨大腔体压机上,通过对二级压砧和高温高压实验组装的优化设计,突破了商用大腔体压机的压力极限（～25 GPa）,在较大的样品腔体上（直径和高度均大于1.5 mm）,室温和高温下均达到35万大气压的超高压条件,在更高压机荷载下可达36～40GPa,为进一步探索超高压下新型材料的合成提供了技术保障。2.基于自主发展的大腔体超高压产生技术,对富勒烯C60在20-37万大气压范围内的结构转变进行了大量探索研究,给出了富勒烯C60在该温压区间的反应相图。并在碳笼接近塌缩的压力下合成出接近全sp~3杂化键的,毫米级透明非晶碳块体材料,sp~3碳成分高达95%以上。利用先进的高分辨电镜技术和高能同步辐射X射线衍射PDF分析,解析了近全sp~3非晶碳的微观结构,发现其是由具有短/中程序的四配位类金刚石碳团簇随机分布在sp~3非晶碳网络中形成的。进一步基于大尺寸高质量的非晶碳块材进行了物性表征,发现近全sp~3非晶碳的光学带隙高达2.7 e V,维氏硬度高达102 GPa（9.8 N载荷下）,杨氏模量达到1182 GPa,热导率高达26 W/m K,是目前非晶材料中发现的硬度、热导率、弹性模量最高的材料。并通过合理的改变温压条件,实现了非晶碳样品中sp~3含量的精细调控,发现sp~3含量与光学带隙、热导率正相关的规律,获得了系列光学带隙可调（1.85e V-2.79 e V）的非晶碳材料,为非晶材料的应用开辟了新的空间。3.利用大腔体压机超高压产生技术,从富勒烯C70出发合成出更加均质、高透光度和热导率的毫米级非晶碳块材。该非晶碳块材内部的sp~3碳含量可高达93.5%以上。进一步对其性质进行研究,发现该非晶碳在保持优异的力学性质（维氏硬度,109 GPa）和宽光学带隙（2.65 e V）的情况下,表现出了更高的热传导性能,热导率达到32 W/mK。高的热导率可能来源于样品内部更加均质的结构特征。研究结果表明,通过选择不同的碳源,利用高温高压可以对sp~3非晶碳样品中的结构与性质进行调控,为非晶碳材料的可控制备提供了新思路。4.利用大腔体压机超高压产生技术,从玻璃碳出发在37 GPa 600°C条件下合成出了毫米级的压缩玻璃碳块体。利用XRD、透射电子显微镜对其进行了结构表征,发现所合成的压缩玻璃碳的（002）面间距为2.96（?）,明显小于初始玻璃碳的层间距,表明层间形成了较多的sp~3键。该非晶样品具有优异的力学性能,其弹性模量达315 GPa,硬度超过40 GPa,是一种新型的超硬碳材料。