碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它的單絲直徑通常只有5到10微米，相當于一根頭發絲的十到十二分之一，強度卻在鋁合金4倍以上，并且具有耐高溫、抗摩擦、導熱及耐腐蝕等特性。由于其具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維，這也使其在航空航天、風電、壓力容器及體育運動制品中很受歡迎。碳纖維由于其密度較小，因此比強度和比模量比較高，通過與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，可制造各種先進復合材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。
碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，屬于多晶亂層石墨結構。與石墨結構的差別在于它的原子層面之間發生了不規則的平移與轉動，其六元網狀共價鍵結合在一起的原子層基本上平行于纖維軸排列，所以一般認為碳纖維是由沿著纖維軸高度取向的亂層石墨結構組成，致使其具有很高的軸向拉伸模量。石墨層狀結構具有顯著的各項異性，使其物性也呈現出各項異性。
碳纖維的制作過程通常包括碳化過程及石墨化過程。碳化過程是指有機化合物（例如PAN）在惰性氣體中加熱到1000~1500℃時，所有非碳原子（氮、氫、氧等）將逐步被驅除，碳含量逐步增加，隨著非碳原子的排除，固相間發生一系列脫氫、環化、交鏈和縮聚等化學反應，形成碳纖維。在1500~2000度范圍內加熱的碳表現出最高的拉伸強度（5650MPa或820,000psi）。如果想得到更高彈性模量的碳纖維，則需要經過石墨化過程。石墨化過程是指將溫度繼續升高到2000~3000℃時，殘留的非碳原子繼續排除，進一步反應形成的芳環平面逐步增加，排列也較規整，取向性顯著提高，并由二維亂層向三維有序結構轉化，其彈性模量將大大提高（531GPa或 77,000,000 psi）。
