碳纖維的起源可追溯到19世紀后期，美國人愛迪生（Edson）用碳絲制作燈泡的燈絲，從而發明了電燈，給人類社會帶來了光明。但是在20世紀初期，美國通用電器公司的庫里基（Coolidge）發明了用鎢絲取代碳絲作為燈絲，并一直沿用至今。這使得碳絲一度退出了歷史舞臺。直到20世紀50年代，在美蘇冷戰和爭霸的時代背景下，為了解決戰略武器的耐高溫和耐燒蝕材料，碳纖維再次進入人們的關注視角。并自此以后，在材料科學領域掀起了碳纖維研究與開發熱潮，各種有機纖維被用來嘗試制備碳纖維。經過幾十年的發展，形成了聚丙烯腈（PAN）、瀝青和粘膠三大原料體系。其中，PAN基碳纖維因其生產工藝簡單、生產成本較低和力學性能優良的特點，已成為發展最快、產量最高、品種最多以及應用最廣的一種碳纖維。
PAN纖維的商品名為腈綸，廣泛用于服飾領域，由于其性能很像羊毛，故又稱為人造羊毛。首先發明用PAN纖維制造碳纖維的是日本大阪工業研究所的進藤昭男（Shindo）博士。他發現PAN纖維需經氧化處理才可得到碳纖維。隨后，英國皇家空軍研究所的瓦特（Watt）和約翰遜（Johnson）等人發現在氧化過程中施加張力牽伸才能制得高性能碳纖維。1969年，日本東麗公司（Toray）研制出共聚PAN原絲，結合美國聯合碳化物公司（Union Carbide）的炭化技術，生產出高強度、高模量碳纖維。如今，東麗公司的PAN基碳纖維無論質量還是產量都居世界前列，代表當今世界最高水平。
碳纖維作為一種高性能纖維，具有十分優異的力學性能，拉伸強度約為2～7GPa，拉伸模量約為200～700GPa。再加上它的重量很輕，密度約為1.5～2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一，這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。除此之外，碳纖維還具有許多其它優良性能，如耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、耐疲勞、熱膨脹系數低、良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。在沒有氧氣存在的情況下，碳纖維能夠耐受3000oC以上的高溫，這是其他任何纖維材料無法與之相比的。而且，碳纖維對一般的有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，完全不存在生銹的問題。
如此優異的性能使碳纖維成為了材料科學與工程領域的耀眼明星。但碳纖維很少單獨使用，一般只通過與樹脂、金屬或者陶瓷等基體材料進行復合后再使用。碳纖維已成為先進復合材料最重要的增強材料。由于碳纖維復合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點，目前已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。
碳纖維是火箭、衛星、導彈、戰斗機和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰略基礎材料。將碳纖維復合材料應用在戰略導彈的彈體和發動機殼體上，可大大減輕重量，提高導彈的射程和突擊能力，如美國80年代研制的“侏儒”洲際導彈（圖3）三級殼體全都采用碳纖維/環氧樹脂復合材料。碳纖維復合材料在新一代戰斗機上也開始得到大量使用，如美國第四代戰斗機F22（圖4）采用了約為24%的碳纖維復合材料，從而使該戰斗機具有超高音速巡航、超視距作戰、高機動性和隱身等特性。碳纖維在艦艇上也有重要的應用價值，可減輕艦艇的結構重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運送作戰物資的能力，而且，碳纖維不存在腐蝕生銹的問題，可以延長使用壽命和節省維護費用。 123,123
碳纖維還是讓大型民用飛機、汽車、高速列車等現代交通工具實現“輕量化”的完美材料。新一代大型民用客機空客A380（圖5）和波音787（圖6）使用了約為50%的碳纖維復合材料。這使飛機機體的結構重量減輕了20%，比同類飛機可節省20%的燃油，從而大幅降低了運行成本、減少二氧化碳排放。
碳纖維在風能、核能和太陽能等新能源領域也具有廣闊的應用前景。當風力發電機功率超過3MW，葉片長度超過40米時，傳統玻璃纖維復合材料的性能已經趨于極限，采用碳纖維復合材料制造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿足強度和剛度的要求。
碳纖維在運動休閑領域中也一直獨領風騷，像高爾夫球桿、釣魚竿、網球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等高檔運動休閑用品都是碳纖維的主要用戶之一。近幾年來，碳纖維開始走進普通民眾的生活，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產品也可以看到碳纖維的身影。
碳纖維的應用產品不勝枚舉。隨著性能的進一步提升和價格的大幅降低，碳纖維的應用領域必將得到更寬廣的拓展。可以預見將來碳纖維不但會在高、精、尖領域大顯身手，而且還會成為普通民眾日常生活中最親密、最信賴的朋友。
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