在惰性气体中，碳纤维可承受高达约2,000摄氏度（约3,632华氏度）的温度，然后才会开始降解。
这种高耐热性是由于碳原子之间有很强的共价键，这使这种材料具有极强的耐热性。然而，值得注意的是，虽然碳纤维本身可以承受极高的温度，但碳纤维复合材料中通常使用的树脂基质可能会在低得多的温度下降解——通常在150摄氏度（302华氏度）或更高，具体取决于所用的具体树脂。
在高温下，树脂会软化、失去机械性能，甚至分解，从而损害复合材料的结构完整性。因此，碳纤维部件的整体耐热性在很大程度上取决于树脂基质的类型及其所处的条件。
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