碳纳米管（碳 Nanotubes，CNTs），又名巴基管，是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝碳纳米管。碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能，在微观尺度下，单根碳纳米管的拉伸强度可达200GPa，是碳钢的100倍，而密度只有钢的1/7~1/6，弹性模量是钢的5倍；电导率可以达到108S·m-1，具有比铜高两个数量级的载流能力。

1991年，日本的S.lijima在研究C60的实验时，不断改变C60生成条件，在阴极石墨上发现一些针状物质，这些针状碳倾向于在电极的某些部位成束成长。1993年，S.lijima在电极中加入铁作为催化剂，在气保护下放电打弧，制备出了单壁碳纳米管。

碳纳米管按碳层数可分为单壁和多壁碳纳米管，其制备方法主要有电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、化学气相沉积法，其中裂化催解法是目前应用最广泛的方法。

碳纳米管已应用于电子、材料、航空、催化、医疗等领域，如利用碳纳米管对波的吸收、折射率高的特点，可作为隐身材料应用于隐身飞机；还可以利用其良好的热学性能，可添加到火箭固体燃料中提高燃烧效率。

1890年人们发现含碳气体在热的表面上能分解形成丝状碳。1953年在研究CO和Fe3O4高温反应时，也曾发现发现过类似碳纳米管的丝状结构。从20世纪50年代开始，石油化工和冷核反应堆的积碳堆积问题，为了抑制其生长，科学家开展了不少有关其生长机理的研究。在20世纪70年代末，新西兰科学家发现在两个石墨电极间通电产生电火花时，电极表面生成了小纤维簇，对其进行电子衍射测试发现其壁是由类石墨排列的碳组成，即已经观察到多壁碳纳米管。

1985年C60巴基球被发现后，很多人都努力在寻找一维碳晶体。1991年，日本的)饭岛澄男(S·Iijima)在研究C60的实验时，不断改变C60生成条件，使两个石墨电极保持很小间隙并形成稳定的电弧，在13.3kPa的氩中，阳极被蒸发，在阴极石墨上发现一些针状物质，长度约1mm，这些针状碳倾向于在电极的某些部位成束生长。S·Iijima在电子显微镜下观察到，碳纳米管的横截面是由2个或多个同轴管组成，相邻两层管壁间距离约为0.34nm，这种管状结构是由组成的管状物。碳纳米管一般两端封闭，直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达几微米到几十微米。这些独特的石墨管状物后来被命名碳纳米管。

1993年，S·Iijima在电极中加入铁作为催化剂，在氩保护下放电打弧，制备出单壁碳纳米管，这些碳纳米管直径分布在0.7~1.6nm范围内，最长可达700nm。同时期IBM公司的科研人员使用铁、、钴作为催化剂（其中钴催化剂效果最好)填充在石墨阳极中，在氩气保护下打弧，在反应器内壁上获得“蜘蛛网”状物质（单壁碳纳米管），得到的单壁碳纳米管具有较一致的直径（约1.2 nm)，并且集结成束。

实际上S·Iijima并不是发现碳纳米管的第一人，早在1952年，苏联科学家Radushkevich和Luckyanovich就在苏联物理化学会志上报道了直径50nm的碳纳米管结构，只是没得到关注。1976年，Oberlin、Endo和Koyama等人在晶体生长杂志上展示了利用气相生长技术获得的纳米尺度的中空碳纤维，其中包括单层管状结构，Endo称其为单壁碳纳米管。1979年，Abrahamson在第十四届碳材料大会上发表了利用电弧放电法制备碳纳米管结构。有关碳纳米管手性的概念在苏联科学家的工作中也已经提及，海普里昂催化公司的Howard G·Tennent还于1987年申请了制备特定直径碳纳米管的美国专利等。2000年，中国科学院物理所解思深研制成功了内径为0.7nm和0.5nm的单壁碳纳米管。直径为0.7 nm的碳纳米管端部封闭结构是两个C60半球，直径为0.5nm的碳纳米管两端是C36的半球。

2000年，北京大学薛增泉等用电子显微镜观察到“倒T形”碳纳米管结构，它是一根很细的直径为0.33nm的碳纳米管(4,0)，垂直生长在直径1.5 nm的母体碳纳米管(11,11)上。直径为0.33 nm的碳纳米管是在室温下能稳定存在的直径最小的单壁碳纳米管。

碳纳米管可按照碳纳米管中碳的层数、结构特性、是否含有管壁缺陷、外形均匀性和整体形态和定向性等进行分类。按照石墨烯片层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；按其结构特征可分为三种类型：扶手椅型碳纳米管、锯齿型碳纳米管和手性碳纳米管；按照是否含有管壁缺陷，将其分为完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管；按照外形均匀性和整体形态，可以将其分为直管型、碳纳米管束、Y型、蛇型等；按照定向性，可将其分为定向碳纳米管和非定向碳纳米管。

单壁碳米管典型直径为0.6~2nm，直径分布范围变小，缺陷少，具有高度均匀一致性。单壁碳纳米管与多壁碳纳米管相比较，价格昂贵，制备困难。

多壁碳纳米管最内层直径小至0.4nm，最大可达数百纳米，典型管径为2~100nm，目前，复合材料经常使用的是多壁碳纳米管。多壁碳纳米管与单壁碳纳米管的比较如下表。

按照矢量方向，碳纳米管可以分为扶手椅型、锯齿型和手性碳纳米管。碳纳米管的手性指数(n,m)与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n≥m。

扶手型碳纳米管：当碳纳米管的手性指数(n,m)满足n=m时，称为扶手椅型碳纳米管，手性角(螺旋角)为30℃。

锯齿型碳纳米管：当n＞m=0时，称为锯齿型碳纳米管，手性角(螺旋角)为0℃。

手性碳纳米管：当n＞m≠0时，称为手性碳纳米管。

按定向性可分为定向碳纳米管和非定向碳纳米管两类。碳纳米管一般在几十纳米以下，而长度可达几百微米或更长，高的长径比是的它们在生长过程中会发生弯曲和缠绕。催化剂在下的化学气相沉积可以是碳纳米管定向生长。

碳纳米管主要两种变体为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

单壁碳纳米管可看成由石墨烯平面映射到圆柱体上形成的，在映射过程中石墨烯片层中的六边形网络保持不变，因此六边形网络和碳纳米管轴之间可能出现夹角。根据单壁碳纳米管中六边形网格沿轴向的不同取向，也可以将其分为锯齿型、扶手椅型和手性型。由于映射过程出现夹角，单壁碳纳米管中的网格会产生螺旋现象，而螺旋的单壁碳纳米管具有手性。单壁碳纳米管的管径分布范围小，一般在0.5~0.6mm之间，而长度可达几微米。单壁碳纳米管具有自组装特性，可形成管束或管束环。由于单壁碳纳米管间存在较强的分子间作用力，因此容易聚集形成管束，构成类似于平面六边形的二维晶体结构。

理想的多壁碳纳米管可以看成是由两层以上的石墨烯片卷成的无缝同心圆柱，层数可从两层到十几层(两层即为双壁碳纳米管)，其外径一般从几纳米到十几纳米，内径从0.5纳米到几纳米，长度从几微米到十几微米，甚至可达到毫米级。多壁碳纳米管比较复杂、不易确定，需要用三个以上的参数来表示，除了直径和螺旋角之外，还需要考虑管壁之间的距离以及不同片层之间六边形网络的排列关系。

常用的碳纳米管制备方法包括电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、化学气相沉积法。

电弧放电法设备主要由电源、石墨电极、真空系统和冷却系统等组成。制备时在反应器内通入惰性气体，以石墨棒作阴阳电极，通入直流电后，阳极汽化形成碳纳米管，并以煤烟的形式沉积在阴极表面及腔壁周围。在电极放电过程中，反应室内的温度达2700~3000℃，生成的碳纳米管高度石墨化。但该方法制备的碳纳米管空间取向不定，易烧结，杂质含量较高。

该方法是目前应用最广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法采用过渡金属作催化剂，适于碳纳米管的大规模制备，产物中的碳纳米管含量较高，但碳纳米管缺陷较多。该方法制备碳纳米管所需设备和工艺都比较简单，关键是催化剂的制备和分散。

该方法是制备单壁碳纳米管的一种有效方法，用CO2激光蒸发方法，在室温下可获得单壁碳纳米管，若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩中蒸发烟流和含碳碎片的形貌，这一诊断技术使跟踪研究单壁碳纳米管的生长过程成为可能。激光蒸发法的主要缺点是单壁碳纳米管的纯度较低、易缠结。

该方法主要用于多壁碳纳米管的合成，基本原理为含有碳源的气体(或蒸气)流经催化剂表面时分解，生成碳纳米管。常用的碳源气体有C6H6/C2H2/C2H4等。化学中管状结构的产物比例不高，管径不整齐，存在较多的架构缺陷，常常发生弯曲和变形，石墨化程度也差。但其可以通过调整催化剂与合成条件来达到控制碳纳米管的形貌和结构，并产率高，能批量生产，有一定工业应用前景。

碳纳米管平面六角晶胞边长为0.246nm，最短的C-C键长为0.142nm，接近原子堆垛距离(0.139nm)。圆柱体的两端以五边形或七边形进行闭合。石墨片层卷成圆柱体的过程中，边界上的悬空键随机结合，从而导致了纳米碳管管轴方向的随机性。因此，在一般的碳纳米管中，碳六角格子的排列是绕成螺旋形的，纳米管具有一定的螺旋度。 螺旋结构的碳纳米管对生长更为有效，而扶手椅型和之字型的碳纳米管不具有这种有利的生长结构，因此需要重复形成新的六边形换，螺旋碳纳米管比扶手椅型和之字型碳纳米管更常见。

碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网络结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态。而这些p轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π键，碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。这些π电子可用来与含有π电子的其他化合物通过π-π非共价键作用相结合，也可以得到改性的碳纳米管。

单壁碳纳米管和多壁碳纳米管表面都结合有一定的官能基团，而且不同的制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异、后处理过程不同，而具有不同的表面结构。单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼的多，结合有大量的表面基团。

碳纳米管具有典型的层状中空结构。碳纳米管的层片之间的距离为0.34mm，并不完全相同。其管内部与巴基球的笼形结构相同，为中空结构。单层结构显示出螺旋特征。

碳纳米管的管身部是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。有研究表明碳纳米管管身为多边形结构，由六边形碳环结构单元组成。因此，把碳纳米管管身的这种特征称做六边形碳环结构和多边形管状特性。此外，管身部分有时还会发生大幅度变化，这是由于含七边形碳环的结构单元在生成碳纳米管的过程中产生了负曲率，形成了一种生长缺陷。

由于管身部分具有多变形特征，因此端帽部分也必然呈现相应的多边形特征。实际的端帽总是由若干相似的子端帽所组成，分别与管身部分的碳层相匹配，其中包含多种封端方式。尽管发现过随机封口或突然由不规则的层片封口的端帽，但是绝大数碳纳米管的端帽具有多边形特征，即由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。

巴基葱是一种轴向发展不发达的碳纳米管，结构与碳纳米管很相似，可以作为碳纳米管的特例(长径比近似为1:1)来处理。巴基葱或巴基套球仍呈现多壁空心的多边形特征，与碳纳米管相同。

碳纳米管具有良好的力学性能，抗拉强度达到50~200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级，是制造高比强度的材料；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。其硬度与金刚石相当，但却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约为800Gpa。此外，其结构与高分子材料结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性等性能，给复合材料的性能带来极大的改善。在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，碳纳米管的长径比在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。

碳纳米管具有良好的导电性能，由于其结构与石墨的片层结构相同，所以具有优异的电学性能。当碳纳米管的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，碳纳米管可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。常用矢量表示碳纳米管上原子排列的方向，其中，记为。和分别表示两个基矢。与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定的的纳米管，如果，则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于的方向，碳纳米管表现出良好的导电性能，电导率通常达铜的1万倍。

碳纳米管具有良好的传热性能，其具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成各向异性的热传导材料。此外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将得到提高。

单壁碳纳米管和双壁碳纳米管的光学性质各不相同。单壁碳纳米管的发光是从支撑碳纳米管的金针顶附近发射的，并且发光强度随发射电流的增大而增强；多壁碳纳米管的发光位置主要限制在面对着电极的薄膜部分，发光位置是非均匀的，发光强度也是随着发射电流的增大而增强。碳纳米管的发光是由电子在与场发射有关的两个能级上的跃迁而导致的。

碳纳米管可以作为纳米模板应用在化学合成中，将化学反应限制在碳管这一特殊的一维空间中，合成一维的纳米线。碳纳米管的表面效应导致它的表面积、表而能和表面结合能都迅速增大，表现出很高的化学活性。碳纳米管具有的优良的电子传导能力、对反应物和产物特异的吸附和脱附性能、特殊的孔腔空间立体选择性、碳与金属催化剂之间的相互作用等诸多性质，都使碳纳米管在催化化学中的应用中表现出巨大潜力。

多壁碳纳米管表面是疏水性的，活性组分前躯体溶液不易接近其表面，影响了活性组分在其表面的负载与分散，常将超声波物理改性法与其他改性法结合来改变多壁碳纳米管的疏水性。常用的共价改性法是在经酸处理后的多壁碳纳米管表面引入大量缺陷，增加多壁碳纳米管的亲水性，可使更多的活性组分沉积于载体表面，有利于提高反应物的转化率。改性后的多壁碳纳米管可用于燃料电池等。

在一定压力下，将氟化氢(HF)作为催化剂加入到F2和He的混合气体中可使碳纳米管化。氟化后的碳纳米管可以进行进一步的衍生反应。如脱氟反应得到不含氟的碳纳米管，也可以与甲醇发生反应得到甲氧碳纳米管。

随着成像技术的迅猛发展，显示器向高清、超薄超轻等方向发展。场发射FPD在亮度、响应速度等方面都有优良性能，在平板显示领域具有广阔的市场和应用场景。碳纳米管阴极为这一显示技术提供了新的发展，单根碳纳米管具有开启电场低、发射电流密度高的优良场发射性能。此外，在储能材料上，多壁碳纳米管电容量一般为102F/g；单壁碳纳米管电容量为180F/g，功率密度可达20kW/kg，能力密度可达7W·h/kg，比多壁碳纳米管更高。此外，碳纳米管具有纳米级的一维管状结构，碳原子以SP2杂化方式键合，使得碳纳米管具有很高的杨氏模量，容易加工形成柔性薄膜，成为一种柔性储能材料。

碳纳米管与有机化合物结合，可以实现优势互补，得到综合性能优异且具有某种特殊性能的聚合物基纳米复合材料。与金属复合，可以有效地增强金属基复合材料的力学性能和热性能，同时金属离子也可反作用于碳纳米管，二者相辅而成，通过化学结合、物理结合等方式使得复合材料更优异的性能。与陶瓷复合，主要通过断裂桥联和拔出作用对陶瓷基体进行增韧。其中碳纳米管在陶瓷材料基体上的均匀分散、碳纳米管在组织中的存活、碳纳米管与陶瓷基体的界面结合状态，是影响碳纳米管增强陶瓷基复合材料性能提高的关键。

一维有序的管腔结构所形成的限域环境内部的反应活性和选择性都比较高。它可作为催化剂载体和催化剂添加剂，还可直接用作催化剂。与其他传统材料相比，碳纳米管负载和促使的催化剂之反应活性或选择性均有提高。原因是纳米金属颗粒进入碳纳米管的孔道后可构成纳米反应器。碳纳米管的纳米级管腔不仅为纳米催化剂和催化反应提供了特定的限域环境，而且其独特的电子结构也有利于管腔内外催化剂电子的转移，是的碳纳米管负载的催化剂具备了独特的催化能力。

碳纳米管管道合成是有机合成、生物化学和制药化学的重点研究领域。它可在养料、药品供给系统与细胞之间形成圆筒形的渠道，输送肽、蛋白质、质粒脱氧核糖核酸或核昔酸等物质。它还能促进骨组织的修复生长，促进神经再生，减少神经组织产生。此外，碳纳米管可用于极微细毛细血管的医治或代替破损的毛细血管，可修复受损的毛细血管。碳纳米管具有优良的伸缩性，在较低电压下可产生较大的机械拉伸，而且随外加电压的变化，其长度会发生规律性的伸展收缩，利用该特性可制成人造肌肉纤维，可用于人类肌纤维的移植和修复。

碳纳米管在食品安全检测中主要涉及农药残留、兽药残留以及重金属的检测。它主要作为食品安全检测的前处理吸附剂使用的，因为农药残留、兽药残留及重金属含量都很低，座椅选择适当的前处理吸附剂非常关键。

航空航天向轻量化工发展，陶瓷材料或陶瓷复合材料因具有良好的力学性能、极低的密度，以及耐烧蚀被用于制备航空航天零件，但因其自身脆性较大，难以制成大尺寸或复杂结构零件，需要与金属机体进行连接满足实际需求。但存在料在陶瓷表面润湿性差难以获得有效界面结合，而碳纳米管有改善润湿的作用，在陶瓷表面原位合成碳纳米管可大幅降低钎料在陶瓷表面的润湿性。

船舶上的海水淡化器用来解决远洋航运的饮水问题，主要以逆渗透海水淡化装置和技术为主。反渗透膜是反渗透海水淡化技术的关键技术，而用碳纳米管制成的反渗透膜减少了海水腐蚀的影响问题，并且有效、持续地满足了船舶上淡水的需求。

从结构上看，碳纳米管具有作为电容器电极材料的性能，结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔在一定范围内，可用于制备双层黄金电容。碳纳米管层间距略大于石墨的层间距，充放的电容大于石墨，而且其简状结构在多次充放电循环后不会塌缩，循环性好，可用作锂离子充电电池电极材料。碳纳米管独特的大比表面积和纳米孔隙结构，使其具有显著的吸附性能，可用作储氢材料。

碳纳米管独特的管状结构可分为一维金属纳米材料的制备提供物理处理和化学反应限制的平台，是一种很好的模板。利用碳纳米管的吸附性和尺寸效应，可进行高难度的微区，放射性清洁及同位素分离，使其可成为良好的微污染吸附剂，有利于环境保护。大面积定向碳纳米管薄膜的成功制备，使得它用于平板显示器件成为可能，将在电视机、摄像机、可视电话、便携式计算机和航空电子设备等仪表显示屏领域获得广泛的应用。

许多物理、化学和电化学方法已被用于碳纳米管合成，各种类型的材料已被用于碳纳米管的开发，包括乙炔、苯、一氧化碳、乙烯和二甲苯。碳纳米管的合成有多种物理和化学方法，如电解、电弧放电、化学气相沉积、声化学法和激光烧蚀法等。

苔藓植物会带走大量的水分，从而吸引昆虫和微生物，造成环境污染。这些苔藓富含碳，可以作为一种经济且环保的材料，通过化学、生物和物理方法形成碳纳米管。以甘蔗或纤维素为原料，与二茂铁和离子液体结合合成碳纳米管，碳纳米管的直径为63nm和38nm。用农业废弃物和生物碳作为碳纳米管的原料，不仅可以减少固体废物，支撑的碳纳米管也是经济且环保的。

利用化学回收废旧复合碳源合成碳纳米管，壁数在18至52之间，直径在18~45nm之间。合成的碳纳米管用作电缆，比铜制成的电缆更轻。利用聚乙烯废料合成的碳纳米管直径为20~30nm，长度为几十微米，应用于太阳能电池和光学器件等领域。还有理由工业废物，如粉煤灰、赤泥和岩样合成了碳纳米管，用于去除水介质中的甲基。

不可降解的塑料是空气、水和土壤污染的主要来源，严重影响自然环境。利用塑料废弃物催化热解法合成碳纳米管，采用Ni-Fe催化剂，在800℃的反应温度下，将塑料废弃物转化为氢气和高质量的碳纳米管。

碳纳米管是力学性能优异的材料之一，其单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍，远超其他材料。清华大学魏飞教授团队成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新世界纪录，这也是目前所有一维纳米材料长度的最高值，该成果于6月27日发表在国际著名期刊《美国化学会纳米》上。

管的直径一般为几个纳米到几十纳米，而管壁的厚度仅为几个纳米。在很长的碳纳米管的出现后，科学家们又制备出来最窄的碳纳米管。通过改进电弧技术，制备出直径为仅0.5nm的纳米碳管。

碳纳米管的最高密度于2013年实现，在低于450℃的温度下，在涂有助催化剂钴和的导电钛涂层铜表面上生长。这些管的平均高度为380 nm，质量密度为1.6g/cm3。该材料表现出欧姆导电性(最低电阻~22 kΩ)。

碳纳米管是由石墨层卷成的圆筒，但其生物毒性远大于石墨粉。如以碳纳米管材料的造影剂，在生物体内的代谢留可引起眼睛不适、皮肤过敏、肺癌和肺尘病等。美国航空航天局太空中心将含0.1mg碳纳米管悬浮液，通过支气管注入大鼠和小鼠的肺部后，颗粒都会以一定形式进入肺泡，甚至长达90天的时间里仍停留在肺部。甚至低溶度的单壁碳纳米管都会引起肺部肉芽肿的形成，但没有伴随在通常情况下石棉和无机化合物粉尘所引起的肉芽肿所特有的炎性症状。

美国密苏里大学和美国地质勘探局共同研究显示，碳纳米管对某些水生生物是有毒的。碳纳米管并不纯是碳、其生产过程的镍、铬和其他金属会残留下来成为杂质。而这些残留的金属和碳纳米管能减缓某些种类水生生物的生长率甚至导致他们死亡。他们用于实验的4种生物为青口贝、小苍蝇幼虫、蠕虫和甲壳动物。