碳纤维是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维，其中含碳量超过99%的又称石墨纤维。碳纤维具有相当独特和出众的物理和化学性能，它具有高强度、高模量、耐腐蚀、、耐磨擦、耐高温、导电和导热等多种优异的性能，堪称材料工业的明珠。碳纤维与各种基体经过复合工艺后制成的碳纤维复合材料，早就在航空航天和军事领域得到了广泛应用，碳纤维复合材料也在民用领域得到了大量应用。简单地说，碳纤维的密度仅有不到2吨/立方米，钢材的数分之一，强度却是钢材的10倍以上，其性能优势可想而知。

碳纤维的关键力学指标包括拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等。拉伸强度是指材料在拉伸过程中可承受的最大应力；拉伸模量是指材料拉伸时受到的应力与形变的比值，模量值越高，表示碳纤维的刚度越好；伸长率是指断裂前材料能被拉长的比例，伸长率越高，表示碳纤维的韧性越好。理论上碳纤维的拉伸强度可以达到180GPa，拉伸模量更是在1000GPa左右，虽然日本东丽公司已经研制出拉伸强度9GPa的高强碳纤维，拉伸模量也达到690GPa的高模碳纤维，但两者尤其是拉伸强度还有很大的发展潜力。碳纤维的断裂伸长率指标从早期的T300级别的1.5%增加到目前T1000级别的2.4%，有效缓解了碳纤维韧性不足的问题，进一步了扩展应用范围，如用于制造大型客机机体。

碳纤维的起源可以追溯到19世纪，英国人斯旺最早用碳丝制造电灯泡的灯丝，后来美国人爱迪生做出了实用的白炽灯碳灯丝，不过由于1910年库里奇发明了拉制钨丝的方法，灯丝全面改用钨丝，早期的碳纤维研究被打入冷宫。20世纪50年代以后，为了解决导弹喷管和弹头耐高温和耐腐蚀等问题，美国研制出粘胶基碳纤维，碳纤维又一次登上历史舞台。1959年日本人近藤昭男发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维具有生产工艺成熟、综合性能好和生产成本较低的优势，产量占碳纤维全部产量的90%以上。今天我们说的碳纤维，不指明的话一般指PAN基碳纤维。

按照碳纤维丝束中的单丝数量，聚丙烯腈基碳纤维又可分为小丝束和大丝束两种。相比小丝束，大丝束的劣势在于，在制作板材等结构时，丝束不宜展开，导致单层厚度增加，不利于结构设计。此外，大丝束碳纤维粘连、断丝等现象更多，这样会使强度、刚度受影响，性能有所降低，性能的分散性也会较大。飞机、航天器一般只用小丝束碳纤维，因此小丝束碳纤维又被称为"宇航级"碳纤维，大丝束碳纤维被称为"工业级"碳纤维。

但是大丝束生产成本比小丝束低，而随着生产技术的进步，人们对碳纤维材料结构的熟悉，大丝束碳纤维越来越多用于对可靠性要求严苛的领域。这样，小丝束与大丝束之间区分也发生了变化，如早期曾以丝束中单丝数量12000根（12K）作为分界线，但目前单丝数量1K~24K的碳纤维被分为小丝束，而48K以上的的划为大丝束。而空客公司在制造A380超大型客机时已经开始使用了24K碳纤维，估计随着技术的进步，小丝束与大丝束之间的分界线还会向上推。

除了传统的圆截面碳纤维，异形截面碳纤维也日益得到人们的关注，它使用特殊几何形状的喷丝板孔挤压出来，具有抱合力强、力学性能高等优点，尤其是通过改变碳纤维的截面形状可以提高吸波性能，应用于结构性吸波材料，在军工领域得到了应用，美国B-2等隐身飞机就使用了异形截面碳纤维作为吸波材料。

碳纤维材料具有诸多优点，但其生产工艺流程长，需要突破的技术障碍很多。碳纤维的制造，可以分为原丝制造和碳化两个关键过程。原丝制造，简单地说是先通过丙烯腈聚合和纺纱等工艺，先聚合制成聚丙烯腈，再纺丝制出聚丙烯腈纤维原丝。聚丙烯腈原丝随后进行预氧化、低温和高温碳化等步骤，最后进行表面处理、上浆烘干并收丝就得到了碳纤维。相对碳化，生产出高质量的聚丙烯腈原丝更加关键，即使是东丽公司也曾因为原丝质量在碳纤维研制过程中上摔过跟头。要生产处高质量的碳纤维，要降低生产成本，聚丙烯腈原丝须满足高纯化、高强化、均质化、细纤度化和表面光洁等要求，这长期以来一直是碳纤维批量生产中最大的拦路虎。