Kohlenstoff nimmt in der Werkstofftechnik eine zentrale Rolle ein, da er in vielfältigen Modifikationen und Strukturen auftritt. Elementarer Kohlenstoff existiert in unterschiedlichen Allotropen wie Graphit, Diamant und amorphem Kohlenstoff. Darüber hinaus werden technisch hergestellte Kohlenstoffformen wie Carbon Black, Aktivkohle, meso- und mikroporöse Kohlenstoffe sowie diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) gezielt für spezifische Anwendungen entwickelt.

Die Eigenschaften kohlenstoffbasierter Werkstoffe werden maßgeblich durch Hybridisierung (sp²/sp³), Porenstruktur und Oberflächenchemie bestimmt. Graphitische, sp²-dominierte Strukturen zeigen hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, während sp³-reiche Phasen wie DLC hohe Härte und Verschleißbeständigkeit aufweisen. Poröse Kohlenstoffe (mikro- und mesoporös) sind entscheidend für Adsorption, Katalyse und elektrochemische Energiespeicherung (z.B. Aktivkohle in Superkondensatoren).

Der Kohlenstoffgehalt ist ein Schlüsselfaktor in metallischen Werkstoffen, insbesondere Stählen, da er Gefüge, Härte und Zähigkeit stark beeinflusst. In polymerbasierten Verbundwerkstoffen werden carbonfaserverstärkte Systeme aufgrund hoher spezifischer Festigkeiten und Steifigkeiten eingesetzt.

Aktuelle Entwicklungen fokussieren auf biomassebasierte Kohlenstoffe zur nachhaltigen Rohstoffversorgung, auf Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU/CCS) zur Reduktion von CO₂-Emissionen sowie auf funktionalisierte und fluorierte Kohlenstoffmaterialien für Batterien, Brennstoffzellen und korrosionsbeständige Schichten. Damit bilden Kohlenstoffmaterialien eine breite, hochgradig einstellbare Werkstoffklasse mit strategischer Bedeutung für Energie-, Umwelt- und Strukturwerkstoffe.