碳纳米管纤维的单位重量强度和刚度比现有最佳工程纤维高出数倍，比其他已报道的碳纳米管纤维高出二十多倍。此外，碳纳米管纤维不易碎且坚韧，使其在防止灾难性故障方面远远优于现有材料。这些新型碳纳米管纤维不仅将使成千上万的产品更坚固、更轻便、更安全、更节能，还将使许多迄今为止因材料限制而无法实现的设想技术成为现实。

碳纳米管的机械性能

      高强度、高刚度和低密度的结合使CNT碳纳米管具有极高的比强度和比刚度。利用这些特性的最有效方法是将CNT碳纳米管组装成纤维。然而，尽管迄今为止世界范围内做出了广泛的努力，但各研究小组报告的CNT碳纳米管纤维的比强度和比刚度远低于目前可用的商用纤维。对于用于制造航天飞机、飞机和空间结构的材料来说，强度、刚度和重量轻是至关重要的特性要求。这些特性通过材料的比强度和比刚度来评估，比强度和比刚度定义为材料的强度或刚度（杨氏模量）除以其密度。

碳纳米管的电学特性

      碳纳米管 (CNT) 纤维因其独特、可调的电学性质而在导电和传感应用方面具有巨大潜力。由于其共轭和高度各向异性的一维结构，碳纳米管 (CNT) 无论从理论还是应用角度来看都是一类极具吸引力的新型电子材料。CNT 优异的导电性和承载极高电流密度的能力，以及其高热导率、化学稳定性和机械强度，使其在广泛的应用中具有独特的潜力，包括纳米级电子设备的构建块、生物制剂和化学品的微传感器以及航天飞机的电力电缆。在弹道传导下，单壁 CNT 的电阻率低至 10-6 Ω·cm，多壁 CNT 的电阻率低至 3×10-5 Ω·cm，这表明在室温下 CNT 可能是比铜等金属更好的导体。然而，在大多数情况下，由于碳纳米管生长过程中形成的各种缺陷或杂质的存在，单个碳纳米管的电导率往往比无缺陷的纳米管在弹道传导下的电导率低得多。碳纳米管组件中的电子传输与单个纳米管中的电子传输不同。据报道，通过垂直浮动化学气相沉积 (CVD) 方法直接合成的单壁碳纳米管 (SWNT) 纤维或从超酸悬浮液中挤出的单壁碳纳米管 (SWNT) 纤维的室温电阻率在 1 × 10-4 到 7×10-4 Ω.cm 范围内，这比单个纳米管的电阻率高近 100 倍。多壁碳纳米管 (MWNT) 纤维的电阻率通常比 SWNT 纤维高一到两个数量级。单个纳米管和纤维组件之间如此大的差异可能是由于纤维中杂质含量高（例如无定形碳和催化颗粒）造成的，这可能会引起纳米管之间的显著散射和接触电阻，从而严重影响电子传输。

      碳纳米管纤维的直接纺丝法因其易于生产高性能材料且尺寸不受明显限制而备受关注。碳纳米管纤维或薄膜展现出无与伦比的性能，开辟了新的研究和商业开发领域。这项十多年前设计的工艺已经为纳米材料的基础科学提供了令人关注的信息，并同时催生了首批在日常生活中具有巨大应用潜力的原型产品的诞生。正因如此，人们对这项技术的兴趣日益浓厚，来自世界各地的相关研究论文也日益增多。

      制备高性能碳纳米管纤维的关键在于使单个碳纳米管沿纤维轴向排列。迄今为止，制备碳纳米管纤维的主要方法有四种：

(1) 碳纳米管溶液纺丝；

(2) 预先在基底上生长的垂直排列碳纳米管阵列纺丝；

(3) 化学气相沉积 (CVD) 反应器中形成的碳纳米管气凝胶纺丝；

(4) 碳纳米管薄膜捻转/轧制。第一种方法也称为溶液态（或湿法）纺丝，其他方法称为固相（或干法）纺丝。

      每种方法均可获得纯碳纳米管纤维和聚合物渗透复合纤维。其他制备方法包括仿棉纺丝和电泳纺丝。

凝固纺丝广泛用于制造凯夫拉纤维、腈纶纤维和聚丙烯腈 (PAN) 纤维。在该工艺中，聚合物溶液被挤压到含有第二种液体的浴槽中，溶剂可溶于该液体，但聚合物不可溶于该液体。在过去十年中，人们开发了各种凝固纺丝方法，用于纺制碳纳米管复合纤维和纯碳纳米管纤维。

      如同从蚕茧中抽丝，碳纳米管纤维可以通过从垂直排列的碳纳米管阵列纺丝制成。2002年，从100μm高的碳纳米管阵列纺出了30cm长的碳纳米管纤维。此后，人们致力于优化纺丝工艺，以提高碳纳米管纤维的性能。研究发现，并非所有碳纳米管阵列都能纺成纤维，碳纳米管的可纺性与碳纳米管阵列的形貌密切相关。迄今为止，全球已有多个研究小组采用这种纺丝方法制备了连续的碳纳米管纤维。

      上述将碳纳米管组装成连续纤维的方法，目前仅能通过后处理方法，即从碳纳米管溶液和碳纳米管阵列中纺丝而实现。碳纳米管纤维也可以在合成单个碳纳米管的炉腔中直接组装。首次报道了在立式炉中使用浮动催化剂化学气相沉积 (CVD) 法直接合成长链有序单壁碳纳米管 (SWCNT)。

CNT的潜在应用

      高性能碳纳米管纤维制备技术的最新进展，推动了其在科学和工程应用领域的广泛应用。迄今为止，人们已探索了其在多功能复合材料、传感、传输线和电化学装置等众多领域的潜在应用。

高强度/高韧性纤维

      碳纳米管 (CNT) 凭借其卓越的机械和物理性能，以及低密度和高长径比，被认为是太空电梯系绳以及轻质、高强度、多功能复合材料增强材料的理想材料。研究表明，在基体材料中分散少量单个碳纳米管可以显著提升复合材料的机械和物理性能。

应变/损伤传感器

      碳纳米管纤维可用作压阻传感器，具有优异的重复性和稳定性。碳纳米管纤维具有可重复、稳定的电阻-应变特性以及低密度，可在制造过程中永久集成到复合材料部件中，且侵入性和重量损失极小。嵌入式纱线传感器可用于实时监测复合材料的变形。

输电线路

      由于金属碳纳米管 (CNT) 具有优异的导电性，CNT 纤维有望成为下一代电力传输线。电子在纳米管中以弹道方式运动，不会像在铜和铝等其他导电材料中那样散射。由于散射会增加金属的电阻，导致电力线升温、膨胀，而下垂的电线会刮倒树木并造成停电。迄今为止，制备的 CNT 纤维不仅包含金属 CNT，还包含半导体 CNT，这极大地限制了 CNT 纤维的导电性。近年来，大量研究致力于降低 CNT 纤维的电阻，并提高 CNT 纤维作为电力传输线和低维互连的适用性。

电化学装置

      由于碳纳米管纤维具有较高的比表面积，加上其理想的机械性能和较高的电导率，因此在微电极、超级电容器和执行器等电化学设备中具有广泛的应用前景。

生物传感微电极

      CNT纤维的纳米级表面形貌和孔隙率可以促进与酶等介质的分子尺度相互作用，有助于有效捕获和促进电子转移反应，这使得CNT纤维成为生物传感的理想微电极。

超级电容器

      众所周知，电化学装置的电容取决于电极上的电荷层与反电荷层之间的分离和接触面积。

      电解质中的层。CNT 纤维电极内较小的电荷层分离（约 1nm）和较高的纳米管表面积可接触电解质，预计会导致CNT纤维超级电容器的高电容。在过去的几年中，人们对CNT纤维超级电容器的电化学性能进行了深入的研究。

机电执行器

      早期研究发现，碳纳米管在电荷注入时能够膨胀和收缩，可用于开发机电致动器。近年来，碳纳米管纤维的机电性能及其应用也得到了广泛的研究。研究发现，当在浸没于电解液中的纤维和另一个电极之间施加电势时，碳纳米管纤维电极会发生收缩。这种收缩的机制与纱线中离子的插入以及纱线由于其螺旋扭曲结构而发生的结构变化有关。

结论

      作为一种独特的碳纳米管组装体，初步研究表明，碳纳米管纤维可以将单个碳纳米管的优异性能转移到微观和宏观结构层面。碳纳米管纤维的比模量和比强度高于商用碳纤维和聚合物纤维，尽管其模量和强度值仍然较低。此外，碳纳米管纤维的制备工艺比传统高性能纤维的制备工艺更简单。因此，这种新型纤维有望在许多领域获得广泛应用。然而，碳纳米管纤维的科学技术仍处于起步阶段。未来需要持续的研究努力才能充分发挥碳纳米管纤维的潜力。