由sp2雜化形成的C=C共價(jià)鍵是自然界最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一。全部由C=C共價(jià)鍵構(gòu)成的碳納米管具有極高的軸向強(qiáng)度、韌性和彈性模量。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，碳納米管的彈性模量可達(dá)1TPa以上，與金剛石的彈性模量接近相同，約為鋼的5倍。碳納米管的彈性應(yīng)變最高可達(dá)12％，約為鋼的60倍，而其密度僅為鋼的1／6。碳納米管無論是強(qiáng)度還是韌性，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何纖維材料。由于碳納米管具有較大的長徑比、較低的密度、較高的軸向強(qiáng)度和剛度，被看作是理想的復(fù)合材料增強(qiáng)相，可使復(fù)合材料的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性得到顯著提高。

碳納米管良好的熱學(xué)性能主要表現(xiàn)在其比熱容和熱導(dǎo)率。碳納米管的比熱容與高度取向石墨相似，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從10～300K，碳納米管的比熱容與溫度呈直線關(guān)系，這種線性關(guān)系與100K時(shí)計(jì)算得的高度取向石墨一致，但比200～300K時(shí)計(jì)算值要低。碳納米管還具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)率，通過平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)其熱導(dǎo)率在室溫可以達(dá)到6600W·m-1·K-1，單壁碳納米管在室溫時(shí)的熱導(dǎo)率為2980W·m-1·K-1，研究發(fā)現(xiàn)碳納米管的熱傳導(dǎo)率隨著其在增強(qiáng)材料中含量的增加以及溫度的升高而不斷增強(qiáng)。由于優(yōu)異的熱傳導(dǎo)率，碳納米管同時(shí)又是一種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)增強(qiáng)復(fù)合材料。填充含量為1.0％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，碳納米管和炭纖維對環(huán)氧基復(fù)合材料進(jìn)行熱導(dǎo)率增強(qiáng)，熱導(dǎo)率分別提高了125％和45％。碳納米管能形成高的熱傳導(dǎo)通路，傳導(dǎo)通路越長，對熱導(dǎo)率的增強(qiáng)也就越大，高的長徑比可以提高其熱傳導(dǎo)通路，進(jìn)而具有更大的熱傳導(dǎo)率。

碳納米管具有獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，長徑比大，比強(qiáng)度高，軸向膨脹系數(shù)低，既導(dǎo)電導(dǎo)熱又耐熱耐蝕，還有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及吸附特性，且柔軟可編易加工，是復(fù)合材料領(lǐng)域理想的增強(qiáng)相。

碳納米管可看成由石墨片層繞著中心軸按照一定的螺旋度卷曲而成的管狀物，管壁由六邊形排列的碳原子組成，每個(gè)碳與周圍的三個(gè)碳原子相鄰，C—C間通過sp2和sp3雜化鍵結(jié)合。按其石墨的層數(shù)碳納米管可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，單壁碳納米管可看成是由石墨平面卷曲而成，并在其兩端罩上碳原子的封閉曲面。不同的卷曲方式，得到的單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)也會不同。多壁碳納米管則是由若干個(gè)單層管同心套疊成，它的層片間距約為0.34nm，比石墨的層片間距（0.335nm）稍大。

碳納米管自日本電鏡專家飯島澄男意外發(fā)現(xiàn)后便引起了人們極大的興趣。碳納米管是一種新型的碳結(jié)構(gòu)一維納米材料，可以形象地認(rèn)為是由一層或多層石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的無縫納米級圓筒，兩端的“碳帽”由五元環(huán)和六元環(huán)封閉。根據(jù)石墨層數(shù)的不同，碳納米管可以大致分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。
碳納米管具有獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等性能，在航空、航天、電子、通信、化工、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，由于碳納米管極易團(tuán)聚，幾乎不溶于任何有機(jī)溶劑，與其他物質(zhì)的浸潤性差，因而在溶液或復(fù)合材料中無法均勻分散，這嚴(yán)重限制了其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，需要對碳納米管進(jìn)行功能化修飾，以拓展其在復(fù)合材料中的應(yīng)用。