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超高纯碳纳米管作为具代表性的一维纳米材料，具有许多优异的物理化学性能。随着对超高纯碳纳米管基础和应用研究的不断深入，其在很多领域都展现出广阔的应用前景，包括纳米电子器件、复合材料增强剂、能源储能介质、催化剂和催化剂载体、传感器、场发射器、导电薄膜和生物纳米材料等等，其中一些已经实现了工业应用。
1.力学性能
超高纯碳纳米管的碳原子间以作用极强的C-C共价键结合，从结构上推测其具有很高的轴向强度、韧性和弹性模量。研究人员通过测量碳纳米管自由端的振动频率得出碳纳米管的杨氏模量可达1Tpa，几乎等同于金刚石的杨氏模量，约为钢的5倍；超高纯碳纳米管具有极高的轴向强度，约为钢的100倍；超高纯碳纳米管的弹性应变为5%，高可达12%，约为钢的60倍，具有极好的韧性和可弯曲性。
2.电学性能
超高纯碳纳米管的螺旋管状结构决定了其独特且优异的电学性质。理论研究表明，由于电子在碳纳米管的运输方式呈弹道运输，超高纯碳纳米管的载流能力高达109A/cm2，比导电良好的铜高出1000倍。超高纯碳纳米管的直径在1nm左右，电子在其中的运动具有量子行为，受量子物理影响，随着超高纯碳纳米管的管径和螺旋方式变化，价带和导带的能隙可从近乎零变化到1eV，其导电性可呈金属性和半导体性，因而碳纳米管的导电性可通过改变手性角和直径来调控，至今为止还没有发现其他任何物质能像超高纯碳纳米管一样通过简单地改变原子排布方式调节其能隙大小。
3.热学性能
超高纯碳纳米管的优异的导热性能和导热方向特性，被许多人认为是制造下一代散热器接触面的优良材料，可使其成为今后计算机CPU芯片散热器的导热剂。OCZ公司生产的碳纳米管CPU散热器，其与CPU的接触面完全由碳纳米管制成，导热效率为目前普遍使用的铜制材料的5倍。同时，超高纯碳纳米管在高导热复合材料等方面具有良好的应用前景可用于发动机、火箭等各种高温部件。
4.光学性能
超高纯碳纳米管独特的结构造就了其独特的光学性能，拉曼光谱、荧光光谱以及紫外可见近红外光谱已广泛应用于其光学性能的研究。拉曼光谱是超高纯碳纳米管常用的检测工具，在200nm左右处会出现超高纯碳纳米管的特征振动模式-环呼吸振动模式(RBM)，RBM可用于确定碳纳米管的微观结构以及判断样品中是否含有超高纯碳纳米管。
5.磁性能
碳纳米管具有独特的磁性能，表现为各向异性和抗磁磁性，可用作为软铁磁性材料。一些特定结构的超高纯碳纳米管还具有超导性，可作为超导导线。
6.储气性能
超高纯碳纳米管的一维管状结构和大长径比使其中空管腔具有极强的毛细作用，从而使其具备了独特的吸附、储气和浸润特性。根据现有研究报道，超高纯碳纳米管是贮氢容量的吸附材料，远远超过其他传统的贮氢材料，将有助推动氢燃料电池的发展。
7.催化活性
超高纯碳纳米管优良的电子传导能力、高的化学稳定性以及大的比表面积，可用作为催化剂或催化剂载体，具有更高的催化活性，无论是在传统的多相催化，还是在电催化和光催化，超高纯碳纳米管都展现出巨大的应用潜力。