单层碳纳米管是一种具有广阔应用前景的纳米碳材料，大批量、可控地制备单层碳纳米管是其应用的基础。本论文通过对浮动催化化学气相沉积法，可控地制备了具有不同微结构的单层碳纳米管无纺布及单层碳纳米管环。同时，基于单层碳纳米管的可控制备，系统地研究了单层碳纳米管在高分子复合材料、生物蛋白分子吸附以及医学替代组织中的应用。 采用浮动催化法，在1000～1200℃的反应温度范围内，用甲烷作为碳源，二茂铁和硫的混合物作为催化剂，通过控制不同的工艺参数，成功制取了面积可达几十平方厘米、高强度的单层碳纳米管无纺布结构。通过采用简单的纯化，得到了高纯度的单层碳纳米管。单层碳纳米管无纺布的宏观的尺寸为其物性的测量提供了极大的便利，因此直接测量了单层碳纳米管无纺布的力学性能、场发射性能、超快光学性能以及电学性能等。同时，以单层碳纳米管无纺布作为力学增强基体，通过热压的工艺成功制备的“三明治”结构的碳纳米管无纺布/聚醚醚酮高分子复合材料。研究结果表明，复合材料的力学、电学性能相对与聚合物都有很大的提高。另外，基于宏观的单层碳纳米管无纺布，利用简单的机械拉伸配合热处理的方法得到了较大面积的、具有良好取向性的单层碳纳米管束的列阵并对这种列阵进行了偏振拉曼光谱研究。 在含有催化剂铁颗粒的浮动催化系统中，通过调整浮动生长工艺，在1100℃温度下通过热解碳氢化合物，成功地制取了高产量高纯度的单层碳纳米管环。这种单层碳纳米管环具有较小的环径，约为100nm左右，是由许多紧密排列的单层碳纳米管组成的管束弯曲而形成的完整圆环。通过调整不同的实验参数，可以对单层碳纳米管环的产量进行优化，并且可以选择性地生长碳纳米管环或线。利用弹性理论，讨论了单层碳纳米管环的形成机理，提出了一种简单的生长模型。利用样品制备工艺的优势，测量了单层碳纳米管环的光学性能、电学性能以及单个环的场发射性能等。拉曼光谱结果显示了单层碳纳米管环具有奇异的拉曼散射行为。场发射研究表明，相对于完整圆环结构，具有半圆结构的碳纳米管环表现出更好的电子场发射特性。另外，对比研究了单层碳纳米管环和线的Raman温度依赖关系。实验结果表明，单层碳纳米管环的呼吸模(RBM)和G模的频率随温度的升高而向低频方向偏移，并且对应较大管径的RBM模频率的温度系数较大。同时，对应相同的管径，单层碳纳米管环的呼吸模比线形碳纳米管RBM模具有更小的温度变化系数。 通过X射线近边吸收谱等手段，研究了不同蛋白在单层碳纳米管无纺布上的吸附行为，并利用第一性原理计算模拟了其内在的相互作用机制。实验结果表明，蛋白通过疏水端的结合而吸附到碳纳米管无纺布上，并且这种结合使得蛋白生物构型发生很大变化，表现出蛋白C1S吸收谱的特征峰位会向低能量移动。第一性原理计算结果显示出，当蛋白分子逐渐接近并吸附到碳纳米管表面后，形成的结合键会降低蛋白分子中C=O键的强度，并使其键长变长，从而导致蛋白吸收特征峰峰位降低。 以血液接触环境下的应用为目的，通过研究与凝血过程密切相关的人纤维蛋白原、白蛋白以及新鲜血浆在单层碳纳米管无纺布表面的吸附行为，系统地探讨了单层碳纳米管无纺布的抗凝血性能。实验结果表明，单层碳纳米管无纺布具有非常优异的血液相容性以及独特的抑制血小板粘附、活化和聚集的抗凝血性能。另外，以具有纳米级拓扑结构的单层碳纳米管无纺布作为细胞生长的支架，研究了在组织修复中起重要作用的成纤维细胞在单层碳纳米管无纺布基体上的生长增殖行为。研究结果发现，单层纳米管无纺布为细胞提供了十分接近天然细胞外基质的人造微环境，具有显著促进细胞粘附和长时间增殖的功能。