CFRP là vật liệu tổng hợp. Trong trường hợp này, composite bao gồm hai phần: ma trận và gia cố. Trong CFRP, gia cố là sợi carbon, cung cấp sức mạnh. Ma trận thường là một loại nhựa polymer, như epoxy, để liên kết các phần gia cố lại với nhau.[1] Vì CFRP bao gồm hai yếu tố riêng biệt, các thuộc tính vật liệu phụ thuộc vào hai yếu tố này.

Phần gia cố mang lại cho CFRP sức mạnh và sự cứng nhắc của nó; đo bằng ứng suất và mô đun đàn hồi tương ứng. Không giống như các vật liệu đẳng hướng như thép và nhôm, CFRP có đặc tính cường độ định hướng. Các tính chất của CFRP phụ thuộc vào bố cục của sợi carbon và tỷ lệ của các sợi carbon so với polymer.[2] Hai phương trình khác nhau chi phối mô đun đàn hồi thuần của vật liệu composite sử dụng các tính chất của sợi carbon và ma trận polymer cũng có thể được áp dụng cho nhựa gia cố sợi carbon.[3] Phương trình sau đây,

E c = V m E m + V f E f {\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}}

có giá trị đối với vật liệu composite với các sợi được định hướng theo hướng tải trọng ứng dụng. E c {\displaystyle E_{c}} là tổng mô đun tổng hợp, V m {\displaystyle V_{m}} và V f {\displaystyle V_{f}} là các phân số thể tích của ma trận và sợi tương ứng trong hỗn hợp và E m {\displaystyle E_{m}} và E f {\displaystyle E_{f}} là các mô đun đàn hồi của ma trận và sợi tương ứng.[3] Trường hợp cực đoan khác của mô đun đàn hồi của hỗn hợp với các sợi định hướng ngang với tải trọng ứng dụng có thể được tìm thấy bằng phương trình sau:[3]

E c = ( V m E m + V f E f ) − 1 {\displaystyle E_{c}=\left({\frac {V_{m}}{E_{m}}}+{\frac {V_{f}}{E_{f}}}\right)^{-1}}

Độ dẻo dai gãy của nhựa gia cố sợi carbon được điều chỉnh bởi các cơ chế sau: 1) gỡ rối giữa ma trận sợi carbon và polymer, 2) kéo sợi và 3) tách lớp giữa các tấm CFRP.[4] CFRP dựa trên epoxy điển hình thể hiện hầu như không có độ dẻo, với độ căng dưới 0,5% cho đến thất bại. Mặc dù CFRP với epoxy có mô đun đàn hồi và cường độ cao, cơ học gãy giòn có những thách thức đặc biệt đối với các kỹ sư trong việc phát hiện lỗi do những hỏng hóc xảy ra một cách thảm khốc.[4] Do đó, những nỗ lực gần đây để tăng cường CFRP bao gồm sửa đổi vật liệu epoxy hiện có và tìm ma trận polymer thay thế. Một vật liệu như vậy với hứa hẹn cao là PEEK, thể hiện độ bền lớn hơn với mô đun đàn hồi và độ bền kéo tương tự.[4] Tuy nhiên, PEEK khó xử lý hơn và tốn kém hơn.[4]

Mặc dù tỷ lệ cường độ trên trọng lượng ban đầu cao, một hạn chế trong thiết kế của CFRP là không có giới hạn mỏi rõ ràng. Điều này có nghĩa, về mặt lý thuyết, thất bại trong chu kỳ căng thẳng không thể loại trừ. Mặc dù thép và nhiều kim loại kết cấu và hợp kim khác có giới hạn mỏi hoặc độ bền có thể ước tính, các chế độ thất bại phức tạp của vật liệu tổng hợp có nghĩa là các đặc tính thất bại mỏi của CFRP rất khó dự đoán và thiết kế. Do đó, khi sử dụng CFRP cho các ứng dụng tải tuần hoàn quan trọng, các kỹ sư có thể cần thiết kế các lề an toàn cường độ đáng kể để cung cấp độ tin cậy thành phần phù hợp trong suốt thời gian sử dụng.

Các tác động môi trường như nhiệt độ và độ ẩm có thể có tác động sâu sắc đến vật liệu tổng hợp dựa trên polymer, bao gồm hầu hết các CFRP. Mặc dù CFRP thể hiện khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, ảnh hưởng của độ ẩm ở các phạm vi nhiệt độ rộng có thể dẫn đến suy giảm các tính chất cơ học của CFRP, đặc biệt là ở giao diện sợi ma trận.[5] Trong khi bản thân các sợi carbon không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm khuếch tán vào vật liệu, độ ẩm làm dẻo hóa ma trận polymer.[4] Ma trận epoxy được sử dụng cho cánh quạt động cơ được thiết kế không thấm đối với nhiên liệu máy bay, dầu bôi trơn và nước mưa và sơn bên ngoài trên các bộ phận tổng hợp được áp dụng để giảm thiểu thiệt hại từ tia cực tím.[4][6]

Các sợi carbon có thể gây ra ăn mòn điện khi các bộ phận CRP được gắn vào nhôm.[7]