碳纳米管是具有圆柱形纳米结构的同素异形体。纳米管的长径比高达132000000：1，明显大于其他任何材料。由于其独特的性质，碳纳米管在纳米科技、光电学、航空航天、居家生活等不同领域具有广泛的应用。其优异的热传导性、机械性能和电学性能，被用作各种结构材料的添加剂。碳纳米管主要有以下突出的特性：
（1）力学性能
表1常见金属材料与碳纳米管的力学性能对比
由于sp2碳-碳键的强度，碳纳米管拥有不同凡响的力学性能。以前的材料都没有显示出它们所具有的最高级的机械、热和电子性能。它们的密度可以低至1.3g/cm3（是不锈钢的六分之一）。碳纳米管的杨氏模量（材料刚度的测量）优于具有大于1TPA值的所有碳纤维，其比45钢高约5倍。碳纳米管是人类迄今发现的最强的材料。碳纳米管的最高拉伸强度或断裂应变测量值高达63GPa，约为钢的50倍。即使是最弱的碳纳米管也有几个GPa的强度。此外，标准多壁碳纳米管可以承受高达25Gpa的压力而不变形，具有非常优越的力学性能。
（2）导电性能
手性矢量由一对指数n和m表示，其中这两个整数对应于石墨烯蜂窝晶格中沿两个方向的单位矢量的数目。当m=0时，纳米管被称为“之字形”，当n=m时，纳米管被称为“扶手椅”，所有其他构型被指定为手型。图1石墨烯片沿手性载体构建碳纳米管的原理。
图1石墨烯片沿手性载体构建碳纳米管的原理
图2显示三种不同类型的SWCNTs：扶手椅型、锯齿型和手型。
图2三种类型的SWCNT
由于石墨烯的对称性和独特的电子结构，纳米管的结构对其电学性能有很大的影响。对于给定的（n，m）纳米管，如果n=m，则纳米管是金属的；如果n-m是3的倍数，则纳米管是带隙非常小的半导体，否则纳米管是中等半导体。因此，所有扶手椅（n=m）纳米管是金属的，而纳米管（6，4），（9，1）等是半导体。半导体纳米管具有与直径成反比的带隙，对于非常宽的多壁碳纳米管（SWCNT）和非常小直径的管，其范围从约1.8ev到0.18ev不等。故碳纳米管因其独特的结构具有良好的导电性能，在很多领域具有广阔的应用前景。
（3）热传导性能
所有纳米管都期望是沿着管的非常好的热导体，表现出一种称为“弹道传导”的特性，但在轴线的横向上具有良好的绝缘体。测量表明，SWCNT沿其轴线约3500W·m-1·K-1具有室温导热性；铜具有良好的热导率，其传输量为385W·m-1·K-1。SWCNT在其轴线（径向）上的室温热导率约为1.52W·m-1·K-1，故其导热性大幅超越铜。它与土壤一样具有导热性。碳纳米管在真空中的温度稳定性估计高达2800℃，在空气中的温度稳定性估计约为750℃。
（4）自润滑性能
由于其自身优异的润滑性能，碳纳米管在很多情况下可以被用作添加剂添加到复合材料中提高材料的摩擦学性能。同时，其独有的性能已被确定为陶瓷基体中的潜在增强。碳纳米管有两种基本形式：单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。SWCNT是一个将单个石墨板卷成空心圆筒（如图3a所示）。MWCNTs是由许多同心石墨层组成（如图3b所示）。层间的相互作用主要有范德华力。除非另有说明，本文中的CNT指的是多壁碳纳米管。
图3碳纳米管结构示意图
碳纳米管优异的力学性能引起了人们的特别关注，陶瓷纳米复合材料具有改善的断裂韧性和耐磨性。研究人员通过多种方法测量了CNT的机械性能。Yu等人通过原子力显微镜（AFM）探针在扫描电子显微镜中的原位拉伸试验测定了碳纳米管的力学性能。碳纳米管的拉伸强度在11-63Gpa之间，而杨氏模量在270-950Gpa之间变化。Treacy等人通过测量变速器中不同温度下的热振动振幅的方法测量了碳纳米管的杨氏模量。杨氏模量的测量范围为0.4-4.15Tpa，平均值为1.8Tpa。CNT的这些特性使其成为纳米复合材料的一种理想机械性能增强剂。Huang等人报告称，SWCNTs在高温时，断裂前可延长280%，变窄15倍。这个SWCNT的超塑性行为可归因于结构中的扭结和形核的运动。因此，SWCNT可以作为一种潜在的强化手段来改善纳米复合材料的延展性。
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