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与宏观金刚石相比,纳米金刚石具有特殊机械、光电、热、磁性能,在各领域都有广泛的应用价值。与传统制备方法相比,激光液相辐照法绿色无污染、操作灵活、参数可控,在新型纳米材料的制备方面效果显著。本文以传统碳材料(鳞片石墨)为研究对象,采用高能脉冲激光辐照石墨悬浮液实验研究,讨论了纳米金刚石、石墨烯纳米带的形成机理及其产率的影响因素。论文的主要研究内容和结论如下:(1)高功率密度(109~1011W/cm2)、短脉冲(10ns)的激光辐照循环流动的石墨悬浮液后,石墨转变成不同的纳米结构:纳米金刚石、石墨烯纳米带、球状无定型纳米碳团簇、类碳纳米管状物、乱层碳组织团簇。在石墨粒度相同而能量不同的情况下,石墨烯结构层数各不相同,层数范围在单层到14层之间。在激光热应力和冲击波的复合作用下,少数层的短而有序的石墨烯片段也会单独从石墨表层剥离开来。随着能量的增加,石墨烯纳米带的层数越多,且无序度也越来越高。(2)脉冲激光液相辐照法连续合成了纳米金刚石,并对其晶体学形态、微观组织结构、微应力及各类缺陷进行了分析。实验发现粒度相同而激光能量不同的情况下,随着能量的增加,金刚石产量并没有明显的变化,表面形貌基本呈现球状或椭圆状,尺寸在2~10nm,平均尺寸在5nm左右。与宏观金刚石相比,生成物发生了细化,并且晶粒内部有残余应力,Raman光谱中的金刚石特征峰发生了宽化并向低频段位移。(3)从热力学和动力学角度提出了纳米金刚石的生长机理:在石墨颗粒升温过程中,石墨表面形成的等离子体溃灭形成液态碳液滴,此时液态碳液滴在热力学条件下进入石墨亚稳定金刚石稳定区域,碳原子开始重组形成金刚石晶核并迅速长大。结合碳的温度-压力相图,在等离子体冷却降温过程中,逼近三相共存点,由互相缠绕的带状石墨烯纳米管状物形成封闭的纳米级空间,金刚石可能在其内部形核长大。石墨的相变过程遵循固态-气态-液态-固态和固态-气态-等离子体态-液态-三相共存态-固态路径发展。总结了金刚石纳米晶尺寸细小的原因:从金刚石纳米晶的生长限制机制角度考虑,高的过冷度及短暂的生长时间制约了纳米金刚石的长大。(4)在激光能量相同而粒度不同的情况下,小粒径(2μm、5μm)石墨更易于相变形成纳米金刚石,小粒径石墨的形成热大于大粒径石墨,更不稳定,更易发生金刚石相变。通过优化改进实验装置,在双光束脉冲激光的共同作用下,增加了激光与石墨的作用面积,大大提高了纳米金刚石的合成效率。此时石墨的相变过程遵循固态-气态-等离子体态-液态-三相共存态-固态及固态-液态-固态两种路径生长,另外非晶碳团簇内部及乱层碳团簇边缘发现了金刚石相的存在,进一步证明了纳米金刚石的形成遵循液化机制。纳米尺寸效应导致的熔点降低是合成超细纳米金刚石的另一机制也是纳米金刚石表层自发重组形成类似Bucky-diamond的形状的重要原因。