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碳納米管的強度是鋼的100倍，而密度只有鋼的1/6,可以承受約100萬個大氣壓的壓力而不破裂,這一結果比類似的纖維高兩個數量級。碳納米管的韌性很好, 經過多次反復大幅度的彎曲后不會發生明顯的斷裂, 碳纖維在彎曲約1%時就會斷裂, 而碳納米管要到約18%才會斷裂。碳納米管的納米尺度、高強度和高韌性特征,使其可以廣泛應用于微米甚至納米機械。DAI成功地制備出用于原子顯微鏡(AFM)的碳納米管針尖, 這種針尖可以避免損害被觀察的樣件。碳納米管增強復合材料具有較高強度,其機械沖擊性能、熱沖擊性能都得到了改善,斷裂韌性也有大幅度提高。例如,碳納米管強化陶瓷材料,斷裂韌度是常規氧化鋁的5倍。在碳納米管/高子復合材料方面,已經制備了PC/碳納米管復合材料,改善了碳納米管與PC的相容性,使其拉伸強度及沖擊強度都得到了提高。

        由于碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當CNT的管徑大于6nm時，導電性能下降；當管徑小于6nm時，CNT可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。 作為鋰離子電池導電劑，碳納米管的導電性能優于傳統的導電炭黑，較少的添加量就能達到較多的炭黑所表現出來的效果。

        碳納米管具有非常大的長徑比，因而大量熱能是沿著長度方向傳遞的，通過合適的取向，這種管子可以合成高導熱性能材料。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數在室溫至150℃電介質的晶格振動波長大一個量級，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時降低了導熱性能。適當排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導材料。

        碳納米管的獨特結構使其具有不同于常規材料的光學性能。由于是納米尺寸，可吸收一定波長的光，因此可應用于隱形材料等領域。