碳纤维是将有机纤维（如聚丙烯腈纤维）在惰性气体保护下，经高温碳化而制得的。其特点是耐高温、质轻而硬度、强度高。
碳纤维增强的热固性树脂主要用于强度和刚性要求较高，而密度要求较小的器械或设备中。由于酚醛树脂的耐热性好，用它和碳纤维制成的复合材料可作为宇宙飞行器外表面的防热层、火箭喷嘴等。而碳纤维与环氧树脂制成的复合材料由于强度高，多用于飞机和宇宙飞行器上作为结构材料。
碳纤维的发明可以追溯到爱迪生时代，他在发明电灯过程中选用多种材料做灯丝都失败了，后来他将竹子烘烤后制成碳丝，终于使电灯亮了。碳丝可以说是当今碳纤维的前身。目前制备碳纤维的方法是将聚丙烯腈合成纤维在200～300℃的空气中加热使其氧化，然后在1000～1500℃的惰性气体中碳化，即可得到强度很高的碳纤维。用沥青为原料也可制成碳纤维，成本比用聚丙烯腈降低约50％。碳纤维原料来源广、成本低、性能好，是很有发展前途的增强材料。
碳纤维增强塑料可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。如环氧树脂使用温度为150～200℃；聚双马来酰亚胺为200～250℃；而聚酰亚胺在300℃以上。这类热固性树脂的碳纤维复合材料较多应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀材料中。新一代的运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板、撑杆、弓箭等都采用碳纤维增强塑料来做，为运动员创造世界记录做出了贡献。
除了玻璃纤维、碳纤维外，作为纤维增强材料还有硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。