Koltrefjar eru trefjakennt kolefnisefni. Það er ný tegund af efni með meiri styrk en stál, minni þéttleika en ál, sterkari tæringarþol en ryðfríu stáli, hærri hitaþol en hitaþolið stál og leiðandi eins og kopar, með marga dýrmæta rafmagns-, varma- og vélræna eiginleika. Koltrefjar eru aðallega gerðar úr koltrefjastyrktu plasti, sem er samsett efni til notkunar. Hver koltrefja er samsett úr þúsundum smærri koltrefja, með þvermál um það bil 5 μm ~ 8 μm. Á atómstigi eru koltrefjar mjög svipaðar grafíti, sem samanstanda af lögum af kolefnisatómum raðað í sexhyrnd form. Munurinn á koltrefjum og grafíti er tengingin milli laga. Grafít er kristalbygging, millilagstenging þess er laus, á meðan koltrefjar eru ekki kristalbygging, millilagstengingin er óregluleg, sem getur komið í veg fyrir rennur og aukið styrk efnisins.
Almennt er þéttleiki koltrefja 1750 kg/m3, hitaleiðni er mikil en aflflutningsgetan er lítil og sérvarmageta koltrefja er einnig lægri en kopar. Við upphitun verða koltrefjar þykkari og styttri. Þó að náttúrulegur litur koltrefja sé svartur, geta vísindamenn litað það í mismunandi litum.