单壁碳纳米管是典型的一维纳米材料，具有优异的性能，如密度小，强度高，长径比和比表面积大，电子传输特性可根据手性调制等等，因此具有广阔的应用前景。本论文研究了单壁碳纳米管一维、二维宏观体的直接合成方法；建立了生长模型，对其生长机制进行了分析；最后研究了两种单壁碳纳米管宏观体的基本性能和潜在应用。 以正己烷为碳源、二茂铁为催化剂、噻吩为生长促进剂，采用立式浮动催化工艺实现了单壁碳纳米管一维长丝的直接合成。产物纯度达85vol.％，长度最长可达40cm，平均长度20cm，是迄今合成的最长的单壁碳纳米管，从而将单壁碳纳米管的长度从微米量级提升至分米量级。长丝中的单壁碳纳米管具有较高的定向性和连续性，平均直径为1.1nm，晶化结构良好。在此基础上，通过控制工艺参数，合成了直径为200nm的单壁碳纳米管束。通过优化工艺参数，可对单壁碳纳米管长丝的纯度、产量和直径等进行控制。根据实验结果建立了单壁碳纳米管长丝的生长模型，探讨了其生长机制。热力学研究表明，硫在单壁碳纳米管形核过程中起着至关重要的作用。单壁碳纳米管束在Fe-FeS共晶形成的环形液相区上形核后进一步自组建形成长丝。动力学分析表明，长丝在生长过程中由于有充分的碳源供给而保持了很高的生长速率。 采用大直径中空阴极石墨电弧法合成了高纯度单壁碳纳米管二维薄膜。薄膜的面积达8cm2，具有分层结构，纯度可达80vol.％。薄膜中单壁碳纳米管的晶化程度较高，直径分布在1.2～1.4nm之间。通过混合酸处理实现了单壁碳纳米管束的局部定向化。研究了氦气分压、放电电流和催化剂对产物的影响规律。探讨了单壁碳纳米管薄膜的生长机制和形成过程，单壁碳纳米管首先在双金属(Ni/Y)催化剂的作用下，在阴极前端温度场中形核生长，然后在预先沉积在中空阴极内壁上的纳米颗粒基底形成二维薄膜。 采用纳米悬壁梁和宏观拉伸方法检测了单壁碳纳米管长丝的力学性能。单壁碳纳米管束的弹性模量高达150GPa，是迄今为止的最高实测值。长丝的抗拉强度为2.4GPa，比强度和比弹性模量分别为3.0GPa和188GPa。其比强度约为碳纤维的2倍、钢丝的56倍，比模量与高模量碳纤维相当。单壁碳纳米管长丝/环氧树脂一维复合材料的抗拉强度比理论值增加17％，并能够承受较大的变形(伸长率约为7％)。比弹性模量为64GPa，分别是铝合金和镁合金的2.46倍；比强度高达1.48GPa，是高强度碳纤维/环氧树脂复合材料的1.66倍、铝合金的13.45倍。 单壁碳纳米管长丝具有良好的导电性和热学性能，室温下平均电阻率为0.6mΩ·cm；单壁碳纳米管长丝具有很强的载流能力(0.4×109A/cm2)，是铜载流密度的400倍，而其密度仅为铜的1/11，可直接用于纳米导线。通过外覆半导体或金属材料，可以制成具有异质结构的纳米电缆。单壁碳纳米管长丝和薄膜都具有良好的场发射性能，阈值场强分别为0.8V/μm和0.3V/μm。长丝的热导率和比热容与温度呈增函数关系，室温下的热导率为310W/m·K，比热容为680mJ/g·K。单壁碳纳米管长丝和薄膜在空气中都具有良好热稳定性(650℃)。 单壁碳纳米管长丝和薄膜具有较小的密度和特殊的孔分布，比表面积分别为236m2/g和245m2/g。薄膜中单壁碳纳米管的开口率约为33.9％，可用于储能器件。在室温和10MPa的条件下的储氢量为2.8wt.％；电化学储氢能力为250mA·h/g；制成双电层电容器后，单极板比电容量为74F/g，分别是多壁碳纳米管和活性炭高温压制体电容器的2.6倍和3.3倍。