碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向堆砌，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維不僅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。
碳纖維性能優良，強度是鋼的20倍，拉伸模量上是鋼的2倍~3倍，比重僅為鋼的1/4，抗拉強度是鋼的7.9倍；碳纖維楊氏模量約為傳統玻璃纖維的3倍，凱芙拉纖維（KF-49）的2倍；同時，碳纖維在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。
碳纖維按力學性能可分為通用型碳纖維和高性能型碳纖維。通用型碳纖維強度為1000MPa、模量在100GPa左右，高性能型碳纖維又可分為高強型碳纖維（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型碳纖維（模量在300GPa以上）。強度大于4000MPa的碳纖維稱為超高強型碳纖維；模量大于450GPa則被稱為超高模型碳纖維。隨著航天和航空工業的發展，還出現了高強高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。
碳纖維按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維。通常把1K、3K、6K、12K和24K的稱為小絲束碳纖維，36K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括48K~480K等（1K為1000根絲）。目前，我國生產的碳纖維全部為小絲束，其中12K占比超過90％，1K、3K、6K各有產量。
碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維。目前市場上90%以上碳纖維以聚丙烯腈基碳纖維為主。
我國對碳纖維的研究起步于1962年，1970年開始展開碳纖維研制。在1975年召開的全國碳纖維會議——“7511會議”后，碳纖維正式列入國家計劃。近年來在國家相關政策的推動下，我國碳纖維產業在產業化和規模化發展方面取得了一定進展。目前已初步形成了以山東、江蘇和吉林等地為主的碳纖維產業聚集地，培育了威海拓展、中復神鷹和江蘇恒神等碳纖維生產骨干企業和一批碳纖維復合材料及制品企業。據統計，2010年~2014年，我國碳纖維產能從6445 噸增至1.5萬噸，增長了2倍，年均增長23.5%。
目前全球碳纖維生產商主要為日本東麗、日本帝人、三菱麗陽、德國SGL和臺塑集團。2014年，這5大生產商市場總額約占全球60%左右。
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料使用。其結構材料具有密度小，強度高，耐久性好，抗腐蝕能力強，可耐酸、堿等化學品腐蝕，柔韌性佳，應變能力強的特點。其中，碳纖維增強環氧樹脂復合材料的比強度、比模量的綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，以及要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優勢。
在軍用航空領域，碳纖維增強樹脂基復合材料主要應用在戰斗機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位中，不僅能提高戰斗機抗疲勞、耐腐蝕等性能，還可以起到明顯減重作用；在衛星構件上，高模量碳纖維主要應用于衛星承力筒、桁架、夾層面板及電池板支架上。目前，我國衛星中已使用高強高模MJ系列碳纖維復合材料。
在民用航空領域，高端碳纖維增強材料主要應用于民用大型飛機的制造。11月2日，我國國產C919大型客機首架機在中國商飛公司新建成的總裝制造中心浦東基地廠房內正式下線。C919大型客機尾和側翼均采用碳纖維復合材料制成。據報道，C919預計在2018年獲得民航局頒發的合格證，而它的商業化將拉動國內對碳纖維材料的需求。
在風電應用領域，碳纖維具有提高葉片剛度，減輕葉片重量，提高葉片抗委靡性能，使風機的輸出功率更平滑、更平衡等優勢。目前，全球風電葉片所需的碳纖維，約占產業用途的34%。
在建筑領域，碳纖維可用于工業與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強，用碳纖維管制作的桁梁構架屋頂，重量上比鋼材輕50%左右，使大型結構物達到了實用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外, 碳纖維做補強混凝土結構時，不需要增加螺栓和鉚釘固定，對原混凝土結構擾動較小，施工工藝簡便。
在電動汽車領域，由于電動車續航里程遠低于傳統燃油車，必須輕量化增加續航里程，碳纖維因其高模量、高強度、輕質量等特性成為增加續航里程的最佳選擇。寶馬率先與西格里聯合開發碳纖維增強復合材料，并成功應用i3電動汽車系列，開創碳纖維在電動汽車領域大批量應用的新時代。
在家電領域，將碳纖維以短纖維的形式混入熱塑性樹脂中，可具有補強、抗靜電、電磁波屏蔽效果，廣泛應用于家用電器、辦公室機器、半導體及其相關領域。
目前我國碳纖維實際產量小于產能，2014年碳纖維產量僅為3200噸，產品應用主要集中在體育休閑、高爾夫和釣魚竿等低端產品領域。其中，體育休閑領域應用占比80%，工業用占比18%，航空航天領域應用僅占比2%，難以滿足高端產品中的碳纖維需求，因此加快碳纖維發展，尤其是高端碳纖維自主研發和產業化進程迫在眉睫。
