碳纖維是將有機纖維（如聚丙烯腈纖維）在惰性氣體保護下，經高溫碳化而制得的。其特點是耐高溫、質輕而硬度、強度高。

碳纖維增強的熱固性樹脂主要用于強度和剛性要求較高，而密度要求較小的器械或設備中。由于酚醛樹脂的耐熱性好，用它和碳纖維制成的復合材料可作為宇宙飛行器外表面的防熱層、火箭噴嘴等。而碳纖維與環氧樹脂制成的復合材料由于強度高，多用于飛機和宇宙飛行器上作為結構材料。

碳纖維的發明可以追溯到愛迪生時代，他在發明電燈過程中選用多種材料做燈絲都失敗了，后來他將竹子烘烤后制成碳絲，終于使電燈亮了。碳絲可以說是當今碳纖維的前身。目前制備碳纖維的方法是將聚丙烯腈合成纖維在200～300℃的空氣中加熱使其氧化，然后在1000～1500℃的惰性氣體中碳化，即可得到強度很高的碳纖維。用瀝青為原料也可制成碳纖維，成本比用聚丙烯腈降低約50％。碳纖維原料來源廣、成本低、性能好，是很有發展前途的增強材料。

碳纖維增強塑料可以根據使用溫度的不同選擇不同的樹脂基體。如環氧樹脂使用溫度為150～200℃；聚雙馬來酰亞胺為200～250℃；而聚酰亞胺在300℃以上。這類熱固性樹脂的碳纖維復合材料較多應用于制造航天飛行器外殼或火箭噴管的耐燒蝕材料中。新一代的運動器材如羽毛球拍、網球拍、高爾夫球桿、滑雪杖、滑雪板、撐桿、弓箭等都采用碳纖維增強塑料來做，為運動員創造世界記錄做出了貢獻。

除了玻璃纖維、碳纖維外，作為纖維增強材料還有硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和芳綸纖維等。