碳是地球上分布最广含量最高的元素。由于其电子轨道特性的多样性(SP、SP2、SP3杂化),碳材料具有地球上几乎所有物质的性质。其中拥有超高的硬度和强度的金刚石是工业上重要的磨削材料,但纳米尺度下变形损伤机制的不明确限制了其在超精密加工中的运用;性能同样优异的碳纳米管也因为转化过程复杂难以控制而无法大规模工业生产。本文利用分子动力学方法研究金刚石受压后微观结构演化机制以及烃裂解生成碳纳米管的机理,为产品安全高效的使用和生产提供理论依据。首先,采用Tersoff势函数研究在单晶金刚石(010)面上纳米压痕过程。模拟采用刚性压头在恒定的温度下对金刚石试件施加压力。试件(010)面上发生明显的塑性形变,载荷位移曲线没有明显的“跳突”现象发生,(010)面弹性模量的模拟值为1127.55Gpa。应用计算机断层扫描(CT)技术分析模型在最大压痕深度处的微观结构细节时,发现错配原子形成了一个类似“#”的结构,其形成原因是金刚石中碳原子受到[010]方向上的压力时,向[100]和[001]两个方向发生位移,在临界区形成剪切力,导致了裂纹生成。利用分子反应力场(ReaxFF)模拟温度为3500 K,密度为0.1 g/cm3的条件下乙烯和乙烷的裂解过程,并与研究团队之前甲烷和乙炔的模拟数据进行对比研究,发现这四种烃高温高压下裂解需经历烃分解、链伸长、支化、环化、聚合以及冷凝和卷曲过程。裂解最终产物的形貌和结构取决于阶段Ⅰ产生形核中心的数目和形核中心的环化模式。四种烃的分解途径主要有分子间碰撞和直接热分解,但比例各不相同。甲烷和乙炔热解过程中以分子间碰撞为主要反应途径,乙烷分解以直接热分解为主,而乙烯分解则没有主要反应途径。整个碳氢化合物的分解的过程是一个不断脱氢的过程。游离氢尽管在整个反应过程中存在量比较少,但其作为烃类裂解过程中重要的中间产物,对烃分解有着重要的作用。此外,在模拟实验中还发现了稳定存在的聚炔和聚烯,这表明烃类的裂解机理是聚炔裂解模式。