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碳纳米球具有纳米级球形结构，碳纳米空心球具有纳米级核壳空球结构，而碳纳米管具有纳米级管状结构，它们因其独特的结构和性质，具有很高的应用价值，然而，目前对这三种材料的制备在纯度、成本、工艺方面还不能达到规模化应用的要求。无皂乳液聚合具有无需加入及去除乳化剂的优点，通过无皂乳液聚合法聚合出具有一定结构的碳前驱体聚合物纳米球，再经过包括氧化炭化在内的一系列过程，可以实现对以上三种碳纳米材料的制备，这种方法具有可以通过聚合阶段的控制实现对最终产物的结构调控、工艺过程易于规模化等优点，具有很高的研究价值。
本文选取聚丙烯腈(PAN)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分别作为碳前驱体物质和成孔物质，通过无皂乳液聚合法制备出PAN纳米球及PMMA/PAN核壳纳米球，从两种聚合物出发，分别对碳纳米球、碳纳米空心球及碳纳米管的制备进行了研究。
通过无皂乳液聚合法制得粒径大小在130-500nm之间的PAN纳米球，在氧化炭化中，0.1℃/min的氧化升温速率和300℃的氧化终温兼具炭化收率高和分散性良好的优点；低的炭化升温速率和高的保护气流速有利于提高炭化样的分散性，而高的升温速率和低的保护气速可以得到较高的炭化收率。当PAN纳米球直径为240nm时，制得直径约180nm的碳纳米球，经2800℃处理后石墨化度非常明显。
通过无皂乳液聚合法制得核层大小150-350nm、壳层厚度10-50nm之间的PMMA/PAN纳米球，PMMA/PAN核壳纳米球的表面形貌受单体加入方式的影响，半连续滴加法可以得到“海胆”型表面形貌，而间歇加入法可以得到“红毛丹果”型表面形貌，原因在于壳层AN在核层PMMA表面聚合沉积时，间歇法PAN以一种小颗粒形态沉积在PMMA表面，而半连续法则是线性片状形态沉积。
PMMA/PAN核壳纳米球经氧化炭化制备碳纳米空心球时容易产生壳层的破裂和球体的粘连，以四氢呋喃萃取、使PMMA从核层移出沉积至球体外表面的方法，可以制得核壳结构完整、分散性良好的碳纳米空心球，当PMMA/PAN核壳纳米球直径约205nm、壳层厚度约20nm时，制得直径约100nm、壳层厚度约10nm的碳纳米空心球。
通过PMMA聚合中加入链转移剂的方法可以在一定程度上实现PMMA/PAN核壳聚合物的熔融可纺，将PMMA/PAN核壳聚合物经熔融纺丝、氧化炭化后可以制得石墨层明显的碳纳米管。由于PMMA/PAN核壳聚合物纺丝后仍有大量纳米球没有得到有效拉伸变形，以及纺丝过程中存在相分离现象，碳纳米管的纯度和收率很低。
从PAN纳米球出发，直接经氧化炭化可以制备出碳纳米管，这一过程的发生不受引发剂种类、是否外加金属催化剂的影响，通过工艺优化，制备出平均直径在20-100nm
之间、最小厚度20nm、长径比大、直径均匀、分散性好、纯度高的碳纳米管。发现中间过程存在PAN纳米球自组装排列、拉伸纤维化和纤维空心化的现象，初步推断碳纳米管的生成遵循从球到线到管的生长机理。