碳纤维复合材料具有优异的机械性能，这也是其他材料无法匹及的。碳纤维复合材料坚固、坚硬且轻巧，尤其是其引人注目的轻量化和优异性能，使其成为航天器、战斗机和赛车等结构部件的首选材料。

复合材料是通过将增强材料（碳纤维）与基体（树脂）结合在一起制成的，这种纤维和基体的结合可提供优于任何一种材料的特性。在复合材料中，纤维承担了大部分负载，并且是材料性能的主要贡献者；而树脂有助于在纤维之间转移载荷，防止纤维弯曲，并将材料粘合在一起。

从历史发展上看，碳纤维复合材料非常昂贵，因此使其应用范围局限在特殊应用。然而，在过去的二三十年间，随着碳纤维消耗量的增加和制造工艺的改进，碳纤维复合材料的价格稳步下降。如今，碳纤维复合材料应用领域越来越广泛，例如体育用品、高性能游艇、高性能车辆和高性能工业机械。

碳纤维复合材料主要优点在于：

1、高比刚度；

2、高比强度；

3、极低的热膨胀系数（CTE）；

4、导热、导电。

碳纤维（HT高强型、IM中模型、HM高模型）力学性能优异，但与金属等材料相比，体密度更低，因此成为航空、汽车等轻量化首选。

有关碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、铝和钢的成本和机械性能的比较如下表所示。

碳纤维复合材料非常适合高刚度、低重量需求应用。主要应用包括：航天器结构、飞机结构、卡车和高性能车辆的传动轴、机械辊、帆船桅杆和吊杆、自行车车架、具有高加速度并要求刚度和精度的机械部件。

具有高刚度特性的CFRP针杆

碳纤维复合材料广泛用于须承受极高载荷的轻质结构，主要应用包括摩托车部件（防滑板，防撞板）、钓鱼竿、高尔夫球杆、飞机结构、卫星天线结构、赛车底盘等。

碳纤维的热膨胀系数为负，这意味着碳纤维在加热时会收缩。当将碳纤维加入树脂基体（正CTE）中时，复合材料可以定制为具有几乎为零的CTE。利用低CTE特性主要可用于高精度天线、扫描成像机、精密光学设备、计量设备等。

应用实例：高精度测量仪器（如下图所示），其目的是实现无纵向热膨胀，设计时采用高模碳纤维增强环氧树脂复合材料，通过合适的层压板结构，最后实现热膨胀系数a <0.08 x 10-6 / K。

在航天器应用中，部分结构件在面对热源时需要高导热系数来实现热平衡，典型应用为导热承重结构，如下图为带有CFRP面板和CFRP蜂窝的三明治结构，具有优异的导热性能。

碳纤维主要是由碳元素组成，具有一定导电性，因此利用该特性可以实现特性应用。应用实例：加工复合材料零件的模具本身由CFRP制成，CFRP层用作加热元件，模具温度高达150°C，可以在很小加热功率下，实现简单而精确的温度调节；此外，模具本身的低热容量导致快速冷却，利于模具的高效制造。

而同样是在2018年，欧洲宇航局发射的ExoMars火星探测器上，其雷达天线材料也是采用复合材料加工，但其表面镀层采用镀铜处理，有助于提高天线性能。