由sp2雜化形成的C=C共價鍵是自然界最強的化學鍵之一。全部由C=C共價鍵構成的碳納米管具有極高的軸向強度、韌性和彈性模量。實驗測量結果表明，碳納米管的彈性模量可達1TPa以上，與金剛石的彈性模量接近相同，約為鋼的5倍。碳納米管的彈性應變最高可達12％，約為鋼的60倍，而其密度僅為鋼的1／6。碳納米管無論是強度還是韌性，都遠遠優(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、較高的軸向強度和剛度，被看作是理想的復合材料增強相，可使復合材料的強度、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性能主要表現(xiàn)在其比熱容和熱導率。碳納米管的比熱容與高度取向石墨相似，通過實驗發(fā)現(xiàn)從10～300K，碳納米管的比熱容與溫度呈直線關系，這種線性關系與100K時計算得的高度取向石墨一致，但比200～300K時計算值要低。碳納米管還具有優(yōu)良的熱傳導率，通過平衡分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)其熱導率在室溫可以達到6600W·m-1·K-1，單壁碳納米管在室溫時的熱導率為2980W·m-1·K-1，研究發(fā)現(xiàn)碳納米管的熱傳導率隨著其在增強材料中含量的增加以及溫度的升高而不斷增強。由于優(yōu)異的熱傳導率，碳納米管同時又是一種優(yōu)異的熱傳導增強復合材料。填充含量為1.0％（質量分數(shù)，下同）時，碳納米管和炭纖維對環(huán)氧基復合材料進行熱導率增強，熱導率分別提高了125％和45％。碳納米管能形成高的熱傳導通路，傳導通路越長，對熱導率的增強也就越大，高的長徑比可以提高其熱傳導通路，進而具有更大的熱傳導率。

碳納米管具有獨特的拓撲結構，長徑比大，比強度高，軸向膨脹系數(shù)低，既導電導熱又耐熱耐蝕，還有良好的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及吸附特性，且柔軟可編易加工，是復合材料領域理想的增強相。

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，每個碳與周圍的三個碳原子相鄰，C—C間通過sp2和sp3雜化鍵結合。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構也會不同。多壁碳納米管則是由若干個單層管同心套疊成，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構一維納米材料，可以形象地認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。
碳納米管具有獨特的管狀結構和優(yōu)異的力學、電學、光學、熱學等性能，在航空、航天、電子、通信、化工、生物、醫(yī)藥等領域應用廣泛。然而，由于碳納米管極易團聚，幾乎不溶于任何有機溶劑，與其他物質的浸潤性差，因而在溶液或復合材料中無法均勻分散，這嚴重限制了其在各個領域中的應用。因此，需要對碳納米管進行功能化修飾，以拓展其在復合材料中的應用。