一、基础认知：碳纳米管的本质与发现
碳纳米管是什么物质，其核心结构有何特点？
碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）又名巴基管，是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定螺旋角卷曲而成的无缝管状碳材料，属于一维量子材料。其平面六角晶胞边长为 0.246nm，最短 C-C 键长 0.142nm，接近原子堆垛距离，圆柱体两端通常以五边形或七边形闭合，层与层之间保持约 0.34nm 的固定距离，直径一般在 2~20nm 之间，长度可达几微米到几十微米。
碳纳米管是何时被正式发现的，发现过程有哪些关键节点？
虽然 1952 年苏联科学家曾报道过类似结构，1976 年也有研究者观察到纳米尺度中空碳纤维，但碳纳米管的正式发现通常以 1991 年为节点 —— 日本科学家饭岛澄男（S. Iijima）在研究 C60 的实验中，于阴极石墨上发现针状碳物质，经电子显微镜观察确认其为多层同轴管状结构，命名为碳纳米管。1993 年，饭岛澄男通过添加铁催化剂，成功制备出单壁碳纳米管，同期 IBM 团队也利用铁、镍、钴催化剂获得了直径均一的单壁碳纳米管管束。
二、分类体系：碳纳米管有哪些主要类型？
按碳原子层数划分，碳纳米管可分为哪两类，二者有何核心区别？
按碳原子层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管典型直径 0.6~2nm，缺陷少、一致性高，但制备困难、价格昂贵，合成必须依赖催化剂，且功能化过程中易出现缺陷。多壁碳纳米管由两层以上石墨烯片卷成同心圆柱，内层直径可小至 0.4nm，最大达数百纳米，合成可无需催化剂，虽纯度较低、结构复杂，但缺陷出现概率低，是复合材料中常用的类型。
根据结构特征，碳纳米管的手性分类有哪些，分类依据是什么？
按结构特征可分为扶手椅型、锯齿型和手性碳纳米管，分类核心依据是手性指数（n,m）和螺旋角。当 n=m 时为扶手椅型，螺旋角 30°；当 n＞m=0 时为锯齿型，螺旋角 0°；当 n＞m≠0 时则为手性碳纳米管，手性指数直接决定了其螺旋度和电学性能等关键属性。
除了层数和结构，碳纳米管还有哪些常见的分类方式？
还可按管壁缺陷分为完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管；按外形均匀性和整体形态分为直管型、碳纳米管束、Y 型、蛇型等；按定向性分为定向碳纳米管和非定向碳纳米管，其中定向碳纳米管可通过催化剂辅助的化学气相沉积法实现生长控制。
三、核心性能：碳纳米管具备哪些突出特性？
在力学性能方面，碳纳米管有哪些优势表现？
碳纳米管的力学性能极为优异，单根碳纳米管的拉伸强度可达 200GPa，是碳素钢的 100 倍，而密度仅为钢的 1/7~1/6，弹性模量更是钢的 5 倍，同时单壁碳纳米管具有良好的柔韧性，易扭曲，多壁碳纳米管则相对刚性，不易变形。
电学与热学性能上，碳纳米管有哪些关键参数和特点？
电学方面，碳纳米管的电导率可达到 10⁸S・m⁻¹，载流能力比铜高两个数量级，且电子迁移率远高于传统半导体材料。热学方面，其具有优异的热导性，可有效传导和分散热量，同时化学稳定性良好，能在多种环境下保持性能稳定。
碳纳米管的尺寸与表面特性对电子应用有何意义？
碳纳米管直径多在纳米级，长度可达微米甚至毫米级，高长径比使其能适配微纳电子器件的小型化需求；其较大的比表面积及表面丰富的悬挂键，使其具有极强的吸附能力，为传感器等器件的性能优化提供了基础。
四、制备方法：碳纳米管的主要合成路径有哪些？
目前应用最广泛的碳纳米管制备方法是什么，其原理和特点如何？
催化裂解法是目前应用最广泛的制备方法，以过渡金属为催化剂，使含碳气体在催化剂表面裂解生成碳纳米管，反应温度通常在 650℃~700℃，具有设备和工艺简单、原料成本低、可大规模生产、产率高等优势，但产物缺陷较多，石墨化程度较差。
电弧放电法制备碳纳米管的原理是什么，有哪些优缺点？
电弧放电法以石墨棒为阴阳电极，在惰性气体保护下通入直流电，阳极汽化后形成碳纳米管并沉积在阴极表面，反应温度可达 2700~3000℃，产物石墨化程度高、缺陷少。但该方法过程剧烈，难以控制，产物中易混入碳纳米颗粒、石墨碎片等杂质，且碳纳米管空间取向不定，易烧结。
激光蒸发法和化学气相沉积法各适用于哪种类型的碳纳米管制备？
激光蒸发法是制备单壁碳纳米管的有效方法，通过激光蒸发含金属催化剂的碳靶，可获得纯度 70%~90% 的单壁碳纳米管，但设备复杂、能耗大、成本高。化学气相沉积法主要用于多壁碳纳米管合成，通过含碳气体流经催化剂表面分解生成产物，可通过调整条件控制形貌和结构，产率较高，但产物中管状结构比例不高，管径不整齐。
五、电子应用：碳纳米管在电子制造领域有哪些具体用途？
在晶体管制造中，碳纳米管如何发挥作用，有哪些突破案例？
碳纳米管可作为场效应晶体管（FETs）的半导体通道，凭借高电子迁移率实现更快速度和更低功耗。2019 年美国麻省理工学院团队利用碳纳米管晶体管制造出 16 位微处理器，证明了其替代硅基材料的潜力，有望推动芯片向更小尺寸、更高性能发展。
碳纳米管在电子设备的热管理和导电材料方面有何应用？
利用优异的热导性，碳纳米管可作为热管理材料分散电子产品热量，防止过热；其高导电性使其能作为高效导电材料，在锂电池等器件中添加少量（比多壁碳纳米管少 10 至 60 倍）即可提升导电性和稳定性，同时还能制造透明导电薄膜，适配触摸屏等显示技术。
碳纳米管在传感器和场发射器件中有哪些应用优势？
在传感器领域，碳纳米管修饰电极可显著提升响应电流、缩短响应时间、扩大检测线性范围，能快速检测甲醛、苯等有害气体，或监测生物分子浓度，适用于环境监测和生物医药领域。在场发射器件中，其具有高发射电流、低阈值电压、长寿命等特点，可提升电子显微镜成像的清晰度和分辨率。
