碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向堆砌，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
碳纤维性能优良，强度是钢的20倍，拉伸模量上是钢的2倍~3倍，比重仅为钢的1/4，抗拉强度是钢的7.9倍；碳纤维杨氏模量约为传统玻璃纤维的3倍，凯芙拉纤维（KF-49）的2倍；同时，碳纤维在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。
碳纤维按力学性能可分为通用型碳纤维和高性能型碳纤维。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量在100GPa左右，高性能型碳纤维又可分为高强型碳纤维（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型碳纤维（模量在300GPa以上）。强度大于4000MPa的碳纤维称为超高强型碳纤维；模量大于450GPa则被称为超高模型碳纤维。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。
碳纤维按状态分为长丝、短纤维和短切纤维。通常把1K、3K、6K、12K和24K的称为小丝束碳纤维，36K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K~480K等（1K为1000根丝）。目前，我国生产的碳纤维全部为小丝束，其中12K占比超过90％，1K、3K、6K各有产量。
碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维。目前市场上90%以上碳纤维以聚丙烯腈基碳纤维为主。
我国对碳纤维的研究起步于1962年，1970年开始展开碳纤维研制。在1975年召开的全国碳纤维会议——“7511会议”后，碳纤维正式列入国家计划。近年来在国家相关政策的推动下，我国碳纤维产业在产业化和规模化发展方面取得了一定进展。目前已初步形成了以山东、江苏和吉林等地为主的碳纤维产业聚集地，培育了威海拓展、中复神鹰和江苏恒神等碳纤维生产骨干企业和一批碳纤维复合材料及制品企业。据统计，2010年~2014年，我国碳纤维产能从6445 吨增至1.5万吨，增长了2倍，年均增长23.5%。
目前全球碳纤维生产商主要为日本东丽、日本帝人、三菱丽阳、德国SGL和台塑集团。2014年，这5大生产商市场总额约占全球60%左右。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料使用。其结构材料具有密度小，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强的特点。其中，碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度、比模量的综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
在军用航空领域，碳纤维增强树脂基复合材料主要应用在战斗机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位中，不仅能提高战斗机抗疲劳、耐腐蚀等性能，还可以起到明显减重作用；在卫星构件上，高模量碳纤维主要应用于卫星承力筒、桁架、夹层面板及电池板支架上。目前，我国卫星中已使用高强高模MJ系列碳纤维复合材料。
在民用航空领域，高端碳纤维增强材料主要应用于民用大型飞机的制造。11月2日，我国国产C919大型客机首架机在中国商飞公司新建成的总装制造中心浦东基地厂房内正式下线。C919大型客机尾和侧翼均采用碳纤维复合材料制成。据报道，C919预计在2018年获得民航局颁发的合格证，而它的商业化将拉动国内对碳纤维材料的需求。
在风电应用领域，碳纤维具有提高叶片刚度，减轻叶片重量，提高叶片抗委靡性能，使风机的输出功率更平滑、更平衡等优势。目前，全球风电叶片所需的碳纤维，约占产业用途的34%。
在建筑领域，碳纤维可用于工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶，重量上比钢材轻50%左右，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外, 碳纤维做补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动较小，施工工艺简便。
在电动汽车领域，由于电动车续航里程远低于传统燃油车，必须轻量化增加续航里程，碳纤维因其高模量、高强度、轻质量等特性成为增加续航里程的最佳选择。宝马率先与西格里联合开发碳纤维增强复合材料，并成功应用i3电动汽车系列，开创碳纤维在电动汽车领域大批量应用的新时代。
在家电领域，将碳纤维以短纤维的形式混入热塑性树脂中，可具有补强、抗静电、电磁波屏蔽效果，广泛应用于家用电器、办公室机器、半导体及其相关领域。
目前我国碳纤维实际产量小于产能，2014年碳纤维产量仅为3200吨，产品应用主要集中在体育休闲、高尔夫和钓鱼竿等低端产品领域。其中，体育休闲领域应用占比80%，工业用占比18%，航空航天领域应用仅占比2%，难以满足高端产品中的碳纤维需求，因此加快碳纤维发展，尤其是高端碳纤维自主研发和产业化进程迫在眉睫。
