碳納米管（carbon nano tube）又稱巴基管bucky tube，是由單層或多層石墨片圍繞中心軸以一定螺旋角卷曲而成的無縫碳納米管。碳納米管具有優異的力學性能、電學和熱學性能，在微觀尺度上，單根碳納米管的抗拉強度可以達到200GPa，是碳鋼的100倍，而密度只有1/7~1/6彈性模量是鋼的五倍；電導率可達108S·m-1，其載流能力比銅高兩個數量級。

1991年，日本 s S.當李吉瑪研究C60的實驗時，她不斷改變C60的形成條件，并在陰極石墨上發現了一些針狀物質，這些物質在電極的某些部分傾向于成束生長。1993年，S.李吉瑪在電極中加入鐵作為催化劑，在氬氣保護下放電和起弧，制備了單壁碳納米管。

碳納米管按碳原子數可分為單壁和多壁碳納米管，其制備方法主要有電弧放電法、催化裂解法、激光蒸發法、化學氣相沉積法，其中裂解催化分解法是目前應用最廣泛的方法。

碳納米管已經應用于電子學、材料、航空、催化、醫學等領域，比如用碳納米管吸收波、它具有高折射率，可用作隱身飛機中的隱身材料；它還可以利用其良好的熱性能，并可以添加到火箭固體燃料中，以提高燃燒效率。

碳納米管可以根據碳納米管中碳原子的數量來制備、結構特性、是否含有管壁缺陷、形狀一致性和整體形狀和方向被分類。根據石墨烯片的數量，可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管；根據其結構特點，可分為三種類型：扶手椅型碳納米管、鋸齒碳納米管和手性碳納米管；根據管壁是否存在缺陷，分為完好的碳納米管和有缺陷的碳納米管；根據外觀和整體造型的統一性，可分為直管式、碳納米管束、Y型、蛇型等；按取向可分為取向碳納米管和非取向碳納米管。

碳原子層數

單壁碳納米管

單壁碳計量管的典型直徑為0.6~2nm，直徑分布范圍變小，缺陷少，高度均勻。與多壁碳納米管相比，單壁碳納米管價格昂貴且制備困難。

多壁碳納米管

多壁碳納米管的最內直徑小至0.4nm，可達數百納米，典型管徑2~100nm目前，多壁碳納米管常用于復合材料。多壁碳納米管和單壁碳納米管的比較如下。

矢量方向

根據矢量方向，碳納米管可分為扶手椅型、鋸齒和手性碳納米管。碳納米管的手性指數(n,m)與其螺旋度和電學性質直接相關，習慣上n ≥ m。

扶手型碳納米管：當碳納米管的手性指數(n,m)當滿足n=m時，稱為具有手性角的扶手椅型碳納米管(螺旋角)為30℃。

鋸齒型碳納米管：當n gtm=0時，稱為鋸齒型碳納米管，具有手性角(螺旋角)為0℃。

手性碳納米管：當n gtm ≠ 0，稱為手性碳納米管。

定向性分類

按照取向可以分為取向碳納米管和非取向碳納米管兩種。碳納米管一般在幾十納米以下，長度可達幾百微米以上高縱橫比意味著它們在生長過程中會彎曲和纏繞。催化劑的化學氣相沉積可以是碳納米管的定向生長。

碳納米管平面六邊形單元的邊長為0.246nm，最短的c-C鍵長為0.142nm，接近原子堆疊距離(139nm)圓柱體的兩端是封閉的五邊形或七邊形。在將石墨片卷成圓柱體的過程中，邊界上的懸空鍵隨機結合，導致碳納米管軸向的隨機性。因此，在一般的碳納米管中，碳原子的六方晶格的排列是螺旋纏繞的，并且納米管具有一定的螺旋度。 螺旋碳納米管對生長更有效，而扶手椅型和鋸齒形碳納米管不具有這種有利的生長結構，因此需要反復形成新的六方轉變螺旋形碳納米管比扶手椅形和鋸齒形碳納米管更常見。

化學鍵和大π鍵

碳納米管中的碳原子主要以sp2雜化為主，六方網絡結構發生了一定程度的彎曲，形成了空間拓撲結構，其中形成了一定的sp3雜化鍵，即形成的化學鍵同時具有sp2和sp3雜化狀態。這些P軌道相互重疊，在碳納米管的石墨烯片外形成高度離域的大π鍵碳納米管外表面的大π鍵是碳納米管與某些共軛大分子非共價鍵合的化學基礎。這些π電子可以用來和其他含有π電子的化合物通過π-通過π非共價相互作用也可以得到修飾的碳納米管。

官能基團

單壁碳納米管和多壁碳納米管的表面結合有一定的官能團，由于制備方法不同，通過不同制備方法得到的碳納米管也不同、后處理工藝不同，但具有不同的表面結構。單壁碳納米管具有高化學惰性，其表面更純凈，而多壁碳納米管的表面更活躍，與大量表面基團結合。

中空與螺旋特征

碳納米管

碳納米管具有典型的層狀中空結構。碳納米管層之間的距離為0.34mm，不完全一樣。管的內部與巴基球的籠狀結構相同，是中空結構。單層結構呈現螺旋特征。

六角碳環結構和多邊形管狀特性

碳納米管的管體是一種準圓管結構，大多數由五邊形截面組成。研究表明，碳納米管管是多邊形結構，由六邊形碳環結構單元組成。因此，碳納米管的這種特征被稱為六邊形碳環結構和多邊形管狀特征。另外，管體有時變化較大，因為含有七邊形碳環的結構單元在生成碳納米管的過程中產生負曲率，形成生長缺陷。

多邊形端帽特征

因為管體部分具有多變形特征，所以端蓋部分也必須呈現相應的多邊形特征。實際的端蓋總是由幾個類似的子端蓋組成，它們分別與管體的碳層相匹配，包括各種端部密封方法。雖然已經發現了隨機密封或突然由不規則片層密封的端蓋，但大多數碳納米管的端蓋具有多邊形特征，即由五邊形碳環組成的多邊形結構，或稱為多邊形錐形多壁結構。

巴基蔥結構

蕎麥洋蔥是一種軸向發展不發達的碳納米管，其結構與碳納米管非常相似，可以作為碳納米管的特例(縱橫比大約為1:1)來處理。蕎麥洋蔥或蕎麥球仍然呈現具有中空多壁的多邊形特征，這與碳納米管相同。

電子

隨著成像技術的快速發展，顯示器正在轉向高清、超薄超輕發展方向。亮度場發射平板顯示器、在響應速度等方面具有優異的性能，在平板顯示領域具有廣闊的市場和應用場景。碳納米管陰極為這種顯示技術提供了新的發展，單根碳納米管具有較低的開啟電場、具有高發射電流密度的出色場發射性能。此外，在儲能材料上，多壁碳納米管的電容一般為102F/g；單壁碳納米管的電容為180F/g，功率密度可達20kW/Kg，容量密度可達7W·h/Kg，高于多壁碳納米管。此外，碳納米管具有納米尺度的一維管狀結構，碳原子通過SP2雜化結合，這使得碳納米管具有非常高的楊氏模量并且易于加工形成柔性薄膜，從而成為柔性儲能材料。

材料

碳納米管和有機物的結合可以實現優勢互補，獲得綜合性能優異的聚合物基納米復合材料和一些特殊性能。與金屬復合可以有效增強金屬基復合材料的力學性能和熱學性能，金屬離子也可以與碳納米管發生反應，二者相輔相成，化學結合、物理結合等方式使復合材料具有更好的性能。與陶瓷復合，主要通過斷裂橋接和拔出效應增韌陶瓷基體。其中碳納米管在陶瓷基體上均勻分散、碳納米管在組織中的存活、碳納米管與陶瓷基體的界面結合狀態是提高碳納米管增強陶瓷基復合材料性能的關鍵。

催化劑

一維有序內腔結構形成的受限環境中的反應性和選擇性相對較高。它可用作催化劑載體和催化劑添加劑，也可直接用作催化劑。與其他傳統材料相比，碳納米管負載和促進的催化劑的活性或選擇性得到提高。原因是納米金屬顆粒進入碳納米管的孔隙后可以形成納米反應器。碳納米管的納米級內腔不僅為納米催化劑和催化反應提供了特定的受限環境，而且其獨特的電子結構有利于催化劑電子在內腔內外的轉移，因此碳納米管負載的催化劑具有獨特的催化能力。

醫學

碳納米管的管道合成是有機合成、生物化學和藥物化學的重點研究領域。它可在養料、在藥物供應系統和細胞之間形成圓柱形通道以運輸肽、蛋白質、質粒DNA或核酸等物質。還能促進骨組織的修復和生長，促進神經再生，減少神經組織的生成。此外，碳納米管可用于愈合微小的毛細血管或替換受損的毛細血管，并可修復受損的毛細血管。碳納米管具有優異的柔韌性，在低電壓下可以產生較大的機械拉伸，其長度會隨著施加電壓的變化而有規律地膨脹和收縮利用這一特性，它們可以制成人造肌纖維，用于人體肌纖維的移植和修復。

食品

碳納米管主要涉及食品安全檢測中的農藥殘留、獸藥殘留和重金屬的檢測。由于農藥殘留，它主要用作食品安全檢測的預處理吸附劑、獸藥殘留和重金屬含量很低，選擇合適的座椅預處理吸附劑非常重要。

航空

航空航天正在向輕量化工程發展陶瓷材料或陶瓷復合材料具有良好的機械性能、極低的密度和耐燒蝕性能用于制備航空航天零件，但由于其脆性，難以制造大尺寸或復雜結構的零件，因此需要與金屬體連接以滿足實際需求。然而，焊料在陶瓷表面的潤濕性較差，難以獲得有效的界面結合，而碳納米管可以改善潤濕性在陶瓷表面原位合成碳納米管可以大大降低焊料在陶瓷表面的潤濕性。

船舶

船上的海水淡化裝置用于解決遠洋運輸的飲用水問題，主要基于反滲透海水淡化裝置和技術。反滲透膜是反滲透海水淡化技術的關鍵技術，由碳納米管制成的反滲透膜減少了海水腐蝕的影響，是有效的、不斷滿足船上對淡水的需求。

其他

從結構上看，碳納米管具有用作電容器電極材料的高結晶度的性質、導電性好、比表面積大、在一定范圍內，微孔可用于制備雙層超級電容器。碳納米管的層間距略大于石墨，充放電容量大于石墨而且其結構簡單，多次充放電循環后不會塌陷，具有良好的可回收性，可用作鋰離子二次電池的電極材料。碳納米管獨特的大比表面積和納米孔結構使其具有顯著的吸附性能，可用作儲氫材料。

碳納米管獨特的管狀結構可分為一維金屬納米材料，為物理處理和化學反應限制提供了平臺，是很好的模板。利用碳納米管的吸附和尺寸效應，可以進行困難的微區放射性清洗和同位素分離，使其成為良好的微污染吸附劑，有利于環境保護。大面積定向碳納米管薄膜的成功制備使其在平板顯示器件中的應用成為可能，平板顯示器件將用于電視機、攝像機、可視電話、便攜式計算機航空電子等儀器顯示領域得到了廣泛的應用。

健康影響

碳納米管是由石墨層構成的圓柱體，但其生物毒性遠遠大于石墨粉。例如由碳納米管制成的造影劑，生物體內的代謝滯留會引起眼睛不適、皮膚過敏、肺癌和塵肺病等。美國國家航空航天局航天中心將包含0.將1毫克的碳納米管懸浮液通過支氣管注入大鼠和小鼠的肺部后，顆粒會以一定的形式進入肺泡，甚至可以在肺部停留90天。即使是低溶解度的單壁碳納米管也會引起肺部肉芽腫，但通常沒有與石棉和無機粉塵引起的肉芽腫相關的炎癥癥狀。

環境影響

密蘇里大學和美國地質調查局的一項聯合研究表明，碳納米管對一些水生生物有毒。碳納米管不是純碳、其生產過程的鎳、鉻和其他金屬將作為雜質殘留。這些殘留的金屬和碳納米管會減緩某些水生生物的生長速度，甚至導致它們的死亡。他們在實驗中使用的四種生物是貽貝、小蒼蠅幼蟲、蠕蟲和甲殼動物。