由于独特的螺旋形貌和多晶-非晶交织的内部结构,碳纳米线圈表现出优良的力、热、电、光等物理特性。国内外对碳纳米线圈电学特性的研究相对充分,提出了电子的跳跃传导模型。对于力学特性的研究,在描述其机械振动上缺少相应的理论和模型。对于热学特性的研究,仅得到了热导率的初步测量结果。在物理特性的机理解释上,结晶结构如何影响其物理特性,特别是力、热特性,目前仍旧不明确。本论文对碳纳米线圈的力、热、电特性进行了系统研究,并力求从结构本质上对其物理特性进行解释。论文第二章利用电致振动的方法研究了碳纳米线圈的力学特性。通过连续介质理论和材料力学,推导出了描述准一维螺旋状纳米线振动的方程和计算杨氏模量的理论模型,并以此计算得到碳纳米线圈的杨氏模量在数至数十吉帕之间。通过微观结构表征的方法,发现碳纳米线圈的石墨化程度越高,杨氏模量越小。论文第三章利用瞬态电热技术,系统测量了单根碳纳米线圈的热扩散系数、热导率、比热容和电导率,及各参数在290至10 K的温度范围内的温度特性曲线。研究发现热导率温度曲线在75 K处存在峰值。比热容为本征属性,其温度曲线与碳纳米线圈结晶程度无关。利用阻热系数(热扩散系数的倒数)的概念,计算得到碳纳米线圈声子传输的特征局域尺寸在3 nm左右,与碳纳米线圈实际晶粒尺寸相当。该特征局域尺寸越大,碳纳米线圈的热扩散系数和电导率越大。在前两章的研究基础上,论文第四章测量和测定了碳纳米线圈杨氏模量、热扩散系数和电导率之间定量的线性统计关系。通过理论推导,得到各特性参数与石墨晶粒尺寸间简明的线性比例关系,将力、热、电和结构特性一一对应起来。进一步的研究发现酒精可通过缺陷和空隙扩散到碳纳米线圈中并改变其物理和化学结构。本章的研究进一步确认了纳米石墨晶粒在电子和声子传输中起到的局域态和量子点的作用。碳纳米线圈因其独特的螺旋结构,在可拉伸传感器的应用上有显著的应用优势。论文第五章将碳纳米线圈与金纳米应变薄膜相结合,制备了一种微纳尺度的可拉伸应变传感基元。通过磁控溅射在碳纳米线圈表面沉积了金纳米薄膜,研究了该复合结构的结构控制、电子传输和应变响应。所制备的传感基元应变范围和灵敏度系数分别达到了 10%和5。利用四探针法对该传感基元在拉伸下的实时电阻变化进行了测量。因测量需要,我们开发了一种基于碳纳米管束的柔性电学探针。利用钨探针从垂直排列碳纳米管阵列中抽取出碳纳米管束,并利用静电、激光和酒精等对其形貌和性能进行了修饰和优化。研究发现该探针在纳米线电阻测量、动态检测和无损检测中具有较明显的应用优势。论文第六章利用可拉伸的聚二甲基硅烷基底一步粘取碳纳米线圈网状结构薄膜,制备了一种超拉伸高灵敏的可穿戴应变传感器。对该传感器在拉伸、压力和弯曲等应变下的传感特性进行了系统研究。该传感器最大拉伸量达到了 260%,灵敏度系数最大达到192,响应时间小于12ms。论证了该传感器在诸如人体脉搏、轻微振动和重物冲击等各类不同应变检测方面的应用前景。本论文的工作填补了碳纳米线圈力、热特性研究方面存在的不足和空白。从结构本质出发,描绘了碳纳米线圈物理特性的理论图像。充分利用碳纳米线圈独特的螺旋形貌和优良的力、电特性,分别为微纳和宏观尺度提供了灵敏、经济、稳定的可拉伸应变传感单元。