碳纤维是一种比人的头发还细的纤维，但它的强度比钢铁还高，刚性比金属钛还好。

世界上最早的碳纤维是1880年由爱迪生制成的。他用硫酸 处理过的棉线烧成丝封在灯泡中做成灯丝，用它来发光。但这种纤维强度差，不能用于制备复合材料。高强度的碳纤维是1950年研制成功的。当时，美国空军为了解决火箭喷嘴的耐烧蚀问题，把粘胶纤维丝在高温下炭化，制成了高强度的碳纤维。然后同酚醛树脂复合，做成了耐高温、耐烧蚀的火箭喷头材料。这种用粘胶丝制成的碳纤维于1959年由美国联合碳化物公司投入生产，由于其强度差，炭化率只有20%左右，因此已逐步淘汰。目前主要用作火箭和导弹的烧蚀材料。

1964年出现了聚丙烯腈系碳纤维。这种碳纤维的性能十分优异，但价格较高。进入20世纪70年代，日本人通过对美国技术的吸收、改造，生产出高模量和高强度的碳纤维。在性能和产量上跃居世界前列。而且还发明了用沥青为原料制备碳纤维的方法，使碳纤维的成本大幅下降。虽然沥青碳纤维的性能还不如聚丙烯腈系碳纤维，但其发展趋势更具竞争力。

碳纤维具有同石墨类似的结构，但其结晶是沿着纤维轴向排列的，因此有很高的强度。碳纤维的制造过程同煤的生成原理十分相似，同样是在隔绝氧气的情况下，通过高温炭化制成的。炭化的温度不同，得到的碳纤维的性质也不同。

在300℃-500℃烧成的纤维叫预氧化纤维。这种纤维是一种耐高温的绝缘体。以聚丙烯腈纤维为例，在此阶段分子间发生环化和氧化脱氢反应，生成具有耐热功能的梯形结构。这样生成的纤维是一种环化的聚丙烯腈，还不是真正意义上的碳纤维。如在氮气保护下，让纤维在500℃-1400℃进一步炭化，梯形结构的聚丙烯腈会进一步发生交联、环化和缩聚等一系列反应，形成类似石墨的乱层结构，成为真正的碳纤维，碳元素的质量分数可达60%左右。这时，纤维的耐热性更高，而且具有导电性，显示了碳的性质。