碳纤维夹层泡沫的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料在现有结构材料中具有较高的比强度和比模量综合指标。在对密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温和高化学稳定性的场合，碳纤维夹层泡沫具有优势。

碳纤维是在1950年代初因应火箭、航天、航空等尖端科技的需要而生产的，也广泛应用于运动器材、纺织、化工机械和医药等领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求越来越严格，科技工作者也在不断努力提高。1980年代初，高性能和超高性能碳纤维相继出现，这是技术上的又一次飞跃，也标志着碳纤维的研究和生产进入了高级阶段。

由碳纤维和环氧树脂组成的复合材料由于比重小、刚性好、强度高而成为航空航天材料。因为航天器的重量每减轻一公斤，运载火箭就可以减轻500公斤。因此，航空航天业竞相采用先进的复合材料。有一架垂直起降的战斗机，其中使用的碳纤维复合材料已经占到整机重量的1/4，机翼重量的1/3。

据介绍，美国航天飞机上的三个火箭推进器的关键部件，以及MX导弹发射管，都采用了先进的碳纤维复合材料。F1（世界一级方程式锦标赛）赛车，车身结构大部分采用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点是全身采用碳纤维，以提高空气动力学和结构强度。

碳纤维可以加工成织物、毛毡、垫子、皮带、纸和其他材料。在传统用途中，碳纤维除了作为保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料添加到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中形成复合材料。碳纤维增强复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽和抗静电材料、人工韧带等身体替代材料，还可用于制造火箭外壳、摩托艇、工业机器人、汽车钢板弹簧和传动轴，等等。