超长碳纳米管是指利用化学气相沉积法在平整基底上制备的沿气流定向、平行排列、能够达到厘米级以上长度的碳纳米管类型。超长碳纳米管遵循顶端生长模式,具有很低的缺陷密度,能够体现出碳纳米管本征的优异性能,是透明显示、微电子、超强纤维以及航空航天等领域的尖端基础材料。本工作研究了超长碳纳米管的生长机理,提出了基于Schulz-Flory分布机理的长度调控的概念,制备出了单根长度达55厘米的超长碳纳米管,这些超长碳纳米管具有达到理论预测值的超高强度、韧性、疲劳寿命及机械能储存能力。发展了一种实现单根碳纳米管光学可视化的方法以及一系列宏观尺度及大气环境下单根碳纳米管的可控操纵技术,为碳纳米管的结构表征、性能测试以及应用研究提供了便捷的手段。首次发现了厘米级长度结构完美的超长碳纳米管管层之间存在超润滑现象。实现了厘米级以上长度碳纳米管内层的超润滑抽出,所得摩擦剪切强度只有2～3Pa,比现有最小数值降低4个数量级。这种厘米级尺度的超润滑性能验证了所制备的超长碳纳米管在宏观长度上具有原子级完美结构。