以碳纖維（或石墨纖維）為骨架來增強以碳或石墨為基質而構成的複合材料。它除瞭具有塊狀石墨的很多性能外，在力學性能、抗熱震性能和高壓燒蝕性能上都優於塊狀石墨。但由於造價昂貴，目前僅能用於軍工，如遠端導彈的端頭鼻錐、火箭發動機噴管喉襯和隔熱屏、高速飛機的剎車片，以及原子能反應堆中的部件等（見碳化高分子）。
碳－碳複合材料的製造，可用碳纖維的短纖維、長纖維纏繞、碳氈、碳佈或定形織物、三向織物（即按x、y、z軸三維編織體）等作骨架。復合方法有化學氣相沉積法和浸漬碳化法兩種。前法用低分子碳氫化合物在較高的溫度下反復進行沉積，由於沉積物容易在入口處堆積，造成瓶頸效應，所以密度在1.8克／厘米3以下。後法則用可碳化物質(如瀝青)、熱固性樹脂或二者的混合物進行浸漬，再經壓力下固化、碳化、石墨化處理等工序，反復進行直到取得所需的密度(可達2.0克／厘米3)。上述二法也可交替進行。但是，上述各法的工藝周期都很長，如何提高效率和進一步改善性能有待研究。