一维碳纳米材料主要指单壁碳纳米管(SWCNTs)、多壁碳纳米管(MWCNTs)和“实心”碳纳米纤维(CNFs)。自从1991年S.Iijima发现碳纳米管(CNTs)以来,一维碳纳米材料以其优异和独特的性能,以及巨大的潜在应用前景,一直是国际前沿研究热点。例如,与硅晶体管相比,SWCNTs电导率可达107S/m,轴向杨氏模量最高可达1 TPa,是新一代薄膜晶体管(TFTs)理想的导电沟道材料,具有无与伦比的优越性。然而,SWCNTs在TFTs中的应用面临一大挑战,即,高效、无损、无后处理、可在任意基板上沉积、大面积、高纯度半导体性SWCNTs的可控制备。一般来说,一维碳纳米材料的广泛应用取决于其是否能够实现可控生长与制备,包括:纯度控制、排列控制、长度控制、直径控制、位置控制、手性控制等。经过20多年的研究,在一维碳纳米材料的可控制备和应用方面方面已取得了很多进展,例如:通过引入弱氧化剂实现纯度控制;通过模板法实现排列控制;通过多步生长法实现长度控制;通过施加磁场实现位置控制;通过引入电场实现有序度控制;通过调控电沉积二维薄膜中纳米晶粒大小来实现直径控制,通过制备特定晶面的催化剂实现手性控制,等等。然而,提出新方法和新机制、追求其大规模和高纯度的一维碳纳米材料的可控制备,以及开发应用新领域是研究者的永久课题。本论文在充分认识和理解一维碳纳米材料的基础上,结合国际前沿研究热点问题,在以SWCNTs和CNFs为代表的一维碳纳米材料的可控制备、生长机理、性能与应用等方面进行了系统和深入的研究。提出了强磁场辅助制备高含量半导体性单壁碳纳米管(s-SWCNTs)的新方法;依据仿生学原理,利用强磁场辅助制备出了具有高强度、高导电性的仿生蜘蛛丝状SWCNTs(BISS-SWCNTs)薄膜,并将其进一步制备成具有超高强度和高导电性的BISS-SWCNTs纤维,在全固态超级电容器领域有高性能;依据高灵敏性蜘蛛腿特殊结构,设计和组装了一种能同时探测应变和温度的新型BISS-SWCNTs/金属纳米复合薄膜柔性传感器;系统研究了强磁场和高温对CNFs的形貌及微结构的调控作用;探索了 CNFs在金刚石转化、光催化等领域的应用。第一章为绪论部分,综述了一维碳纳米材料的结构特征、可控制备技术及应用领域的研究现状与进展。介绍了本论文工作的来源、选题意义、重要性,以及本研究工作的主要内容。第二章介绍了实验材料、方法、表征测试手段以及仪器设备。主要包括一维碳纳米材料及其复合材料的制备,薄膜晶体管、固态超级电容器、传感器、光催化等器件的组装及性能测试。还介绍了一维碳纳米材料及复合材料的形貌、微结构和光谱表征。第三章介绍了一种利用强磁场辅助实现s-SWCNTs和m-SWCNTs可控分离的方法。在FC-CVD法制备SWCNTs的过程中“原位”引入强磁场可选择性制备高含量s-SWCNT。在本章中,不仅对s-SWCNTs的形貌、微结构进行了详细的表征,而且利用拉曼光谱和紫外可见光近红外吸收光谱研究了 s-SWCNTs的含量与磁场强度之间的关系。作为应用,本研究还组装了基于s-SWCNTs薄膜和单根s-SWCNT的晶体管并测试其电学性能。最后通过理论模拟计算得出了强磁场辅助制备s-SWCNTs的机理。天然蜘蛛丝和蜘蛛网由于其特殊结构而具有超高力学性能,在第四章中利用强磁场辅助,制备了从内部结构到外部形貌都与天然蜘蛛丝类似的BISS-SWCNTs薄膜,从而进一步大大提高了 SWCNTs的力学性能。本章主要介绍了 BISS-SWCNTs薄膜的制备方法及其力学、电学性能表征。为了研究其力学性能,利用SEM对BISS-SWCNTs薄膜的拉伸进行了“原位”观察,同时将BISS-SWCNTs与聚合物复合研究其力学增强效果。实验结果表明相比于普通网状SWCNTs,BISS-SWCNTs的杨氏模量提高了近2倍,拉伸强度提高了 3倍多。另外,更重要的是该BISS-SWCNTs还保留了原SWCNTs薄膜的高导电性和高透光率。第五章是在第四章的基础上,进一步将BISS-SWCNTs薄膜纺织成BISS-SWCNTs纤维,并探索其在固态超级电容器中的应用。制备的BISS-SWCNTs纤维可以使SWCNTs之间的连接更紧密,同时增加了 SWCNTs束之间的凝聚力,从而最大程度地保留了 SWCNTs本身的优良特性。还在BISS-SWCNTs纤维中发现了与蜘蛛丝的力学性能类似的拉伸硬化现象,用SEM中的“原位”拉伸观察和“原位”拉曼光谱测试,证明了造成拉伸硬化的原因是拉伸引起的SWCNTs的阵列排列使载荷更多地转移到SWCNTs本身上。将该BISS-SWCNTs纤维组装成全固态超级电容器后发现其比电容达到128 F/cm3,显示出优良的电容特性。在第四章BISS-SWCNTs薄膜研究的基础上,第六章介绍了一种新型的高灵敏度、长寿命和多功能的柔性传感器的设计、组装及其在人体健康方面的应用。依据高灵敏性蜘蛛腿特殊结构,采用具有褶皱结构的BISS-SWCNTs薄膜做导电材料,然后利用离子溅射在上面沉积一层金属(金、银、铜等)纳米薄膜做敏感材料,制备出一种BISS-SWCNTs/金属纳米薄膜的柔性传感器。在本章中,对传感器的灵敏度、反应时间、循环性能等参数进行了系统的测试。同时利用“原位”拉伸观察和理论计算对传感器的机理进行了解释。最后,将该传感器组装成可穿戴器件并成功监测人体的各种健康指标,如脉搏、呼吸、关节活动、体温等,取得了很好的结果。第七章研究了施加强磁场和高温对“实心”CNFs形貌和微结构的影响。利用SEM、HRTEM、拉曼光谱等手段对不同磁场条件下生长的CNFs分别进行了表征。实验结果表明高温条件下,在CNFs的生长过程中,磁场不仅能够控制其生长方向(沿磁力线方向),还能够减小和均匀化其直径,以及增加碳原子排列的有序度,使其从无序结构向有序结构转变,即从无序“实心”CNFs转变为“竹节状”的CNTs。本章还提出了新的磁场诱导CNFs生长的机理,认为CNFs在磁场中的形貌及微结构转变的原因是碳原子的抗磁性使之在析出过程中具有方向选择性。第八章发现了一种利用放电等离子烧结(SPS)技术在较低温和低压(甚至常压)下将“实心”的CNFs转变为纳米金刚石的新方法。该方法简便易行,将CNFs在大气压力下1500℃时经过SPS烧结就能得到纳米金刚石颗粒。根据实验结果,本章提出了如下转化机理:无序的“实心”CNFs→有序结构的CNFs→→弯曲的石墨层→洋葱状石墨层→→纳米金刚石→→聚合的大金刚石颗粒。在SPS处理过程中,低压脉冲产生的等离子体在低温低压合成金刚石过程中起着至关重要的作用。第九章利用两步CVD法制备了一种新型3D结构ZnO/CNFs/NiO复合材料,并研究其在光催化领域的应用。本章对ZnO/CNFs/NiO复合材料的形貌、微结构及生长机理进行了详细表征。结果显示该ZnO/CNFs/NiO复合材料的光催化性能比普通的ZnO/NiO复合材料提高了 2.5倍。还证实了光催化性能提高的原因是CNFs与ZnO纳米杆以及NiO薄膜之间形成了具有紧密接触的异质结界面,起到了光生载流子在ZnO与NiO之间迁移的桥梁作用,提高了载流子的分离效率。第十章是全文总结。最后介绍了作者发表的刊物论文、会议论文、专利、出国交流、参加会议、科研项目和获奖情况,以及致谢与作者简历。