早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直径。新研发的碳纤维（如IM6或IM600）的直径大约有5微米。在原子层面，碳纤维跟石墨很相近，是由一层层以六边形模式（石墨烯薄片）排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结的方式。石墨是晶体结构，它的层间连结松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规则的。这样便防止滑移，增强物质强度。一般碳纤维的密度为1750 kg/m。导热能力高但传电能力低，碳纤维的比热容亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚而短。虽然碳纤维的天然颜色是黑色，但可以把