아크릴계(系) 섬유를 적당한 온도로 열처리하여 탄화(炭化)·결정화(結晶化)한 섬유. 이 때 적당한 온도란 350∼2,000 ℃를 말한다. 원료로 폴리아클리로나트릴(PAN), 레이온 등이 사용되며 드물게 석유 또는 콜타르피치를 사용한다.

제조과정은 원료 폴리머의 고리화, 탄소 이외 원소의 계외(系外)로의 제거, 탄소원자의 재배열로써 이루어지며 탄화의 정도에 따라 여러 등급의 것이 만들어진다.

탄소섬유는 가볍고, 영률(Young 率)이 크며, 높은 강성(剛性)을 지니고 있으므로 플라스틱·금속·세라믹스·종이 등의 많은 재료와의 복합(複合)에 이용되며, 항공·우주 등의 용도에서 스포츠용품에 이르기까지 여러 분야에서 쓰이고 있다. 19세기 말 T.A.에디슨이 백열전등의 필라멘트용으로 솜[綿]·아마(亞麻) 등 셀룰로오스계(系) 섬유를 원료로 해서 만든 탄소섬유가 역사적으로 가장 오래된 것이다.

우주개발을 위한 가볍고 높은 강성의 재료가 미국에서 1950년대 후반부터 연구되어 유니온 카바이트사(社)가 레이온을 원료로 해서 새로운 탄소섬유를 개발하였다. 이것은 구조재료(構造材料)로서가 아니라 내열재료(耐熱材料)로서 로켓이나 미사일의 첨단부나 그 내장재료로 이용되고 있다. 이 경우, 탄소섬유는 페놀수지와의 복합재료로서 쓰인다.

PAN계 고탄성률 섬유를 수지로 굳힌 복합재료는 골프채의 샤프트, 테니스의 라켓, 낚싯대 등의 구조재료에 많이 사용되며, 최근에는 항공기 분야에서도 본격적으로 쓰인다. 한국에서는 선경합섬(주)이 80년대에 개발에 착수, 83년에 양산체제에 들어갔다.