聚酰亚胺(Polyimide,PI)激光直写碳化(Direct laser writing carbonization,DLWc)技术是基于PI的可碳化性和光热转换的物理现象,利用高能激光作为局域光热源在可碳化高分子表面原位生成碳阵列。由于DLWc技术具有高精度、高灵活性等优点,极有潜力用于加工各种碳基功能器件。为了实现DLWc技术在规模化生产和低成本制造各种碳基电子器件上的应用,亟须深入理解激光碳化PI过程中复杂的光热转换行为和传热行为并探究其加工-结构-性能关系。首先,本论文结合实验与理论研究,深入理解CO2激光碳化PI的光热转换和传热过程,为更好地理解、控制DLWc技术提供了依据。以激光直写“点”图案作为研究对象,结合扫描电子显微镜与拉曼光谱表征,系统研究了激光加工条件对生成碳材料形貌与结构的影响规律。实验结果表明聚焦/离焦距离是DLWc工艺中重要的加工参数。此外高斯激光光束所引起的非均匀能量分布及热源密度的局域化,导致激光直写“点”状碳材料具有复杂的组成和形貌梯度。在实验研究基础之上,进一步建立了无自由参数的光热转换理论模型,并通过有限元模拟,良好预测了碳化点的横向尺寸。其次,利用亚甲基蓝吸附法对DLWc碳材料的多孔结构进行原位定量表征,为揭示激光直写PI工艺中的加工-结构-性质关系奠定基础。基于本工作建立的亚甲基蓝吸附法对DLWc碳材料的多孔结构进行定量表征,结合扫描电子显微镜、拉曼光谱、电性能测量等手段,系统研究了激光加工条件(包括激光功率、激光束扫描速度、激光聚焦/离焦距离)对碳材料多尺度结构的影响规律。研究表明DLWc制备的多孔碳材料的比表面积、孔隙率以及石墨/碳微观结构的完美程度、碳线的电性能不仅依赖于激光辐照的平均能量密度,还依赖于光热源空间分布及其相关的温度场。本工作建立的DLWc碳材料多孔结构的原位表征手段以及加工-结构-性质的实验研究结果,为DLWc技术的工艺控制指明了方向。基于前述研究成果,本论文利用DLWc技术加工灵活性以及DLWc生成碳材料优异的太阳光吸收特性,探索了该材料在太阳能海水淡化方面的应用。通过DLWc技术的加工工艺参数调控制备了以PI膜为承载基体并具有定向垂直排布孔结构的多孔碳材料,这种具有定向垂直排布孔结构的多孔碳材料可有效地捕获太阳光,并且有利于水蒸汽的输送。在结构设计上利用纤维滤纸构建二维水传输通道,并进一步利用低热导率的聚氨酯泡沫减少吸收体和水之间的接触面积,从而降低了热量损耗。在一个太阳光照射下,DLWc碳材料多功能结构体的蒸发速率为1.35 kg m-2 h-1,光热转换率高达85%。