碳纳米管的管径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度取决于径向方向的石墨烯层数。单层石墨烯卷曲而成的碳管称为单壁碳纳米管（SWCNT），多层石墨烯卷曲而成的碳管为多壁碳纳米管（MWCNT）。SWCNT的直径一般为1～3纳米，最小直径为0.4纳米。大于6纳米的SWCNT一般非常不稳定，易发生塌陷。碳纳米管的长度一般为100纳米～10微米。MWCNT层间距约为0.34纳米。

1991年日本饭岛澄男^[注]在利用电弧放电制备碳纤维时发现了多壁碳纳米管，随后他又发现了单壁碳纳米管。碳纳米管的制备方法多种多样，例如电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。

碳纳米管主要是由呈六边形排列的碳原子构成的单层、数层到数十层的同轴圆管。多层碳纳米管的层间距约在0.34纳米。碳纳米管中石墨层的碳原子以sp²杂化形式存在。由于存在一定的曲率，碳纳米管中的碳原子介于sp²与sp³杂化类型之间。根据碳六边形沿轴向的不同，其取向可将碳纳米管分为锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种类型。扶手型和锯齿形碳纳米管都是非手性纳米管，螺旋式纳米管具有手性。每一个纳米管可采用指数唯一描述：扶手型纳米管指数对为；锯齿形纳米管指数对为；而螺旋型纳米管指数对为，且。其中和是用来定义纳米管轴向和径向矢量的参数，下图分别给出了这三种类型的碳纳米管结构，具体的数值已标在图注中。图a为扶手型纳米管(5,5)，图b为锯齿形纳米管(9,0)，图c为螺旋纳米管(10,5)。不同类型的碳纳米管通常电子能带结构也不同，相应可分为金属型和半导体型纳米管。

碳纳米管结构简单示意图

物理性质方面，碳纳米管具有较大的长径比，可看作是准一维纳米材料。构成碳纳米管的石墨烯片层中的碳碳原子之间以共价键相连，所以具有很高的强度。理论研究表明，单层碳纳米管的杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，强度可达1.0太帕以上，约为钢的100倍，而密度只有钢材料的1/6。碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软，被称为“超级纤维”，并可作为复合材料中的加强材料。同时，由于它透明且具有柔性，有望制成透明导电薄膜，用作触摸屏的材料。电学方面，根据卷曲方式不同，纳米管可具有良好的金属导电性和半导体特性，可作为最细的导线应用于纳米电子器件中，有望成为新一代的量子器件。碳纳米管的顶端很尖锐，具有优异的场发射性能。阈值电压可达1.0伏/微米，电流稳定且重现性好，可用作电子发射源，推动场发射薄膜显示屏的发展。光学方面，半导体型纳米管具有很好的发光特性，可用于户外照明灯丝材料，具有寿命长、发光稳定性好、节能等优点。