碳纳米材料由于其优异的物理、化学特性可应用于机械、热学、电学、光学和生物医学等领域,因而吸引了各界研究人员的广泛关注。如何实现碳纳米材料的稳定可控、大规模、低成本、快速的合成是当前的一大难题和挑战。有学者提出了一种新式且极具潜力的合成方法——火焰法,实验证明火焰法可用于碳纳米管和碳薄膜的合成。但是火焰合成法的研究仍处于初期阶段。因此,研究不同实验条件对于碳纳米材料生长的影响有助于我们更好地了解火焰中碳纳米材料的合成情况,为寻找碳纳米材料的最佳合成方法及合成条件提供一定的实验参考和理论指导。本文以可再生生物燃料为碳来源,以廉价且易获取的金属材料作为合成基底,借助光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)等表征手段,研究常压大气环境下碳纳米管和非晶碳膜的快速火焰合成及调控,分析不同合成条件对碳纳米材料生长特性的影响。首先,使用可再生生物燃料乙醇和正丁醇的反扩散火焰,探究黄铜网和镍网基底上碳纳米管的生长情况,讨论燃料类型、基底材料、火焰温度以及合成时间等因素对碳纳米管生长的影响。结果显示,黄铜网在乙醇和正丁醇的反扩散火焰中都能合成出碳纳米管,但是镍网在两种生物燃料反扩散火焰中均不具备合成碳纳米管的催化特性。随着合成时间的增加,黄铜网上生成的碳纳米管的密度和管长都有不同程度的增长。1023K和1273K的火焰温度适宜碳纳米管的合成。在乙醇火焰中,1023K时合成的碳纳米管比1273K时具有更高的结晶度、更低的无序性和更少的缺陷,而正丁醇中的结果则相反。其次,利用可再生生物燃料乙醇的反扩散火焰,研究铜箔上非晶碳膜的生长情况,讨论燃料流量、基底高度及合成时间等参数对非晶碳膜生长的影响。结果表明,在10秒极短的时间里就有具备一定的柔韧性和透明程度的非晶碳膜生成。随着燃料流量的增加以及基底在火焰中位置的上移,非晶碳膜的合成面积增加,表面附着的杂质量减少。铜箔置于火焰顶部时非晶碳膜的生长情况最好。在10秒的合成时间内,非晶碳膜发生局部生长,此时碳膜中sp~2键的含量较高,结构较松散,表面不平整。当合成时间为30秒时,非晶碳膜中sp~3键的含量增加,无序程度增高,表面粗糙度最小。随着合成时间的持续增加,非晶碳膜逐渐覆盖铜箔的整个表面,碳膜生长减缓,有序度有所增加。同时会出现明显的含碳杂质,非晶碳膜表面粗糙度增大。最后,通过添加氢气改变乙醇反扩散火焰工况,从而调控非晶碳膜的合成,使非晶碳膜生长得更加均匀、快速,提升其结构的有序性,且在薄膜的粗糙度和透明程度方面有所改善。考察氢气的存在及其流量大小对于铜箔上非晶碳膜生长的影响。结果显示,在不同的氢气流量下,随着基底高度的增加,非晶碳膜的合成面积均增大,表面附着的杂质量都逐渐减少。将铜箔置于火焰的外焰区域时,由于扰动过大,非晶碳膜生长不均匀,表面较粗糙。铜箔置于火焰内焰的顶部时非晶碳膜的生长情况最好。添加氢气后,在30秒的短暂时间里就可以形成完整连续的碳薄膜。氢气的存在加速了碳膜的局部生长,使非晶碳膜向有序的方向发展,并一定程度地改善了碳膜的透明程度。若氢气量过大,高温下氢气对非晶碳膜的刻蚀作用增强,碳膜表面粗糙度增大。