由sp2杂化形成的C=C共价键是自然界最强的化学键之一。全部由C=C共价键构成的碳纳米管具有极高的轴向强度、韧性和弹性模量。实验测量结果表明，碳纳米管的弹性模量可达1TPa以上，与金刚石的弹性模量接近相同，约为钢的5倍。碳纳米管的弹性应变最高可达12％，约为钢的60倍，而其密度仅为钢的1／6。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维材料。由于碳纳米管具有较大的长径比、较低的密度、较高的轴向强度和刚度，被看作是理想的复合材料增强相，可使复合材料的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性得到显著提高。
碳纳米管良好的热学性能主要表现在其比热容和热导率。碳纳米管的比热容与高度取向石墨相似，通过实验发现从10～300K，碳纳米管的比热容与温度呈直线关系，这种线性关系与100K时计算得的高度取向石墨一致，但比200～300K时计算值要低。碳纳米管还具有优良的热传导率，通过平衡分子动力学模拟发现其热导率在室温可以达到6600W·m-1·K-1，单壁碳纳米管在室温时的热导率为2980W·m-1·K-1，研究发现碳纳米管的热传导率随着其在增强材料中含量的增加以及温度的升高而不断增强。由于优异的热传导率，碳纳米管同时又是一种优异的热传导增强复合材料。填充含量为1.0％（质量分数，下同）时，碳纳米管和炭纤维对环氧基复合材料进行热导率增强，热导率分别提高了125％和45％。碳纳米管能形成高的热传导通路，传导通路越长，对热导率的增强也就越大，高的长径比可以提高其热传导通路，进而具有更大的热传导率。
碳纳米管具有独特的拓扑结构，长径比大，比强度高，轴向膨胀系数低，既导电导热又耐热耐蚀，还有良好的化学稳定性、热稳定性及吸附特性，且柔软可编易加工，是复合材料领域理想的增强相。
碳纳米管可看成由石墨片层绕着中心轴按照一定的螺旋度卷曲而成的管状物，管壁由六边形排列的碳原子组成，每个碳与周围的三个碳原子相邻，C—C间通过sp2和sp3杂化键结合。按其石墨的层数碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，单壁碳纳米管可看成是由石墨平面卷曲而成，并在其两端罩上碳原子的封闭曲面。不同的卷曲方式，得到的单壁碳纳米管的结构也会不同。多壁碳纳米管则是由若干个单层管同心套叠成，它的层片间距约为0.34nm，比石墨的层片间距（0.335nm）稍大。
碳纳米管自日本电镜专家饭岛澄男意外发现后便引起了人们极大的兴趣。碳纳米管是一种新型的碳结构一维纳米材料，可以形象地认为是由一层或多层石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的无缝纳米级圆筒，两端的“碳帽”由五元环和六元环封闭。根据石墨层数的不同，碳纳米管可以大致分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。 碳纳米管具有独特的管状结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，在航空、航天、电子、通信、化工、生物、医药等领域应用广泛。然而，由于碳纳米管极易团聚，几乎不溶于任何有机溶剂，与其他物质的浸润性差，因而在溶液或复合材料中无法均匀分散，这严重限制了其在各个领域中的应用。因此，需要对碳纳米管进行功能化修饰，以拓展其在复合材料中的应用。