Effects of the temperature and strain rate on mechanical properties of plain-woven carbon fiber reinforced thermoplastic composites

WANG Kai; JIA Xiaohang; LUO Junjie; WANG Zhen; WANG Qinhuai

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.015

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Effects of the temperature and strain rate on mechanical properties of plain-woven carbon fiber reinforced thermoplastic composites

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2026-02-12

- Effects of the temperature and strain rate on mechanical properties of plain-woven carbon fiber reinforced thermoplastic composites
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 2, Pages: 126-134(2026)
- 作者机构：
  
  1.重载快捷大功率电力机车全国重点实验室，株洲 412001
  2.湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室，长沙 410082
  3.长安大学汽车学院，西安 710064
- 作者简介：
  
  JIA Xiaohang, E-mail: jiaxiaohang@hnu.edu.cn
- 基金信息：
  
  Opening Foundation of the State Key Laboratory of Heavy-duty and Express High-power Electric Locomotive(QZKFKT 2023-010)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.015
  CLC： TB332
- Received：16 May 2024，
  
  Revised：2024-07-05，
  
  Published：15 February 2026
- 稿件说明：
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王锴，贾晓航，罗俊杰，等. 计及温度及应变率效应的平纹编织碳纤维增强热塑性复合材料力学性能研究［J］. 机械强度，2026，48（2）：126-134.

WANG Kai，JIA Xiaohang，LUO Junjie，et al. Effects of the temperature and strain rate on mechanical properties of plain-woven carbon fiber reinforced thermoplastic composites［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（2）：126-134.
王锴，贾晓航，罗俊杰，等. 计及温度及应变率效应的平纹编织碳纤维增强热塑性复合材料力学性能研究［J］. 机械强度，2026，48（2）：126-134. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.015.

WANG Kai，JIA Xiaohang，LUO Junjie，et al. Effects of the temperature and strain rate on mechanical properties of plain-woven carbon fiber reinforced thermoplastic composites［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（2）：126-134. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.015.

摘要

目的

为了探究温度和应变率对编织碳纤维增强热塑性复合材料力学性能的影响，明确二者对材料拉伸与剪切性能及失效模式的作用规律，进行了相关研究。

方法

以热压成形工艺制备的编织碳纤维增强聚丙烯层合板为研究对象，设计并开展2类试验：① 不同温度条件下的准静态试验；② 常温环境下的动态试验。通过系统测试与分析，获取材料力学性能数据。

结果

研究发现，材料的拉伸弹性模量、拉伸强度及剪切模量呈一致变化趋势：随温度升高逐渐减小，随应变率增加逐渐增加；而剪切强度表现出特殊差异，准静态剪切强度显著大于动态剪切强度，该现象与纤维转动引发的屈服后强化行为密切相关；此外，温度和应变率对拉伸试样与剪切试样的失效模式均产生显著影响。

Abstract

Objective

A study was conducted to investigate the effects of temperature and strain rate on the mechanical properties of woven carbon fiber-reinforced thermoplastic composites

and to clarify the action laws of the two factors on the tensile and shear properties as well as the failure modes of the material.

Methods

Taking the woven carbon fiber-reinforced polypropylene laminates prepared by the hot-press molding process as the research object

two types of tests were designed and carried out: one was the quasi-static test under different temperature conditions

and the other was the dynamic test under normal temperature environment. The mechanical property data of the material were obtained through systematic testing and analysis.

Results

It was found from the study that the tensile elastic modulus

tensile strength and shear modulus of the material showed a consistent variation trend: they decreased gradually with the increase of temperature and increased gradually with the increase of strain rate. However

the shear strength exhibited a special difference: the quasi-static shear strength was significantly higher than the dynamic shear strength. This phenomenon was closely related to the post-yield hardening behavior caused by fiber rotation. In addition

significant effects of temperature and strain rate on the failure modes of both tensile specimens and shear specimens were observed.

关键词

Keywords

references

SUN W L ， CHEN X K ， WANG L . Analysis of energy saving and emission reduction of vehicles using light weight materials ［J］. Energy Procedia ， 2016 ， 88 ： 889 - 893 .

LI J H ， DURANDET Y ， HUANG X D ， et al . Additively manufactured fiber-reinforced composites：a review of mechanical behavior and opportunities ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2022 ， 119 ： 219 - 244 .

单奕萌，弥世青，周健，等 . 碳纤维复合材料铆接接头力学性能与失效机制研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1483 - 1492 .

SHAN Yimeng ， MI Shiqing ， ZHOU Jian ， et al . Study on mechanical performance and failure mechanism of carbon fiber composite riveted joints ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1483 - 1492 . （In Chinese）

陆晓华，蔡景，张柱国，等 . 基于中国鸟情的鸟撞适航条款充分性和适宜性［J］. 北京航空航天大学学报， 2024 ， 50 （ 9 ）： 2810 - 2818 .

LU Xiaohua ， CAI Jing ， ZHANG Zhuguo ， et al . Adequacy and suitability of airworthiness clause of bird strike based on bird situation in China ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2024 ， 50 （ 9 ）： 2810 - 2818 . （In Chinese）

陈光，冯玉鹏，解东旋，等 . 三点弯曲工况下编织碳纤维复合材料方管的材料特性研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 3 ）： 598 - 606 .

CHEN Guang ， FENG Yupeng ， XIE Dongxuan ， et al . Research on the material characteristics of woven carbon fiber composite square tubes under three-point bending load ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 598 - 606 . （In Chinese）

丁东，杨心悦，吴蓓，等 . 高速铁路飞砟风险等级模糊层次综合评判［J］. 铁道科学与工程学报， 2024 ， 21 （ 10 ）： 3934 - 3943 .

DING Dong ， YANG Xinyue ， WU Bei ， et al . Fuzzy AHP comprehensive evaluation of ballast flight on high-speed railway ［J］. Journal of Railway Science and Engineering ， 2024 ， 21 （ 10 ）： 3934 - 3943 . （In Chinese）

HOU J P ， RUIZ C . Measurement of the properties of woven CFRP T300/914 at different strain rates ［J］. Composites Science and Technology ， 2000 ， 60 （ 15 ）： 2829 - 2834 .

TANIGUCHI N ， NISHIWAKI T ， KAWADA H . Tensile strength of unidirectional CFRP laminate under high strain rate ［J］. Advanced Composite Materials ， 2007 ， 16 （ 2 ）： 167 - 180 .

黄靓，张怀安，肖岩，等 . CFRP在不同应变率和温度下的力学性能试验研究［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2016 ， 43 （ 3 ）： 90 - 97 .

HUANG Liang ， ZHANG Huaian ， XIAO Yan ， et al . Experimental study of mechanical properties of CFRP under different strain rates and temperatures ［J］. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2016 ， 43 （ 3 ）： 90 - 97 . （In Chinese）

ZHANG Y B ， SUN L Y ， LI L J ， et al . Effects of strain rate and high temperature environment on the mechanical performance of carbon fiber reinforced thermoplastic composites fabricated by hot press molding ［J］. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing ， 2020 ， 134 ： 105905 .

MA Y ， JIN S S ， UEDA M ， et al . Higher performance carbon fiber reinforced thermoplastic composites from thermoplastic prepreg technique：heat and moisture effect ［J］. Composites Part B：Engineering ， 2018 ， 154 ： 90 - 98 .

刘乐，时建纬，杨晶晶，等 . 碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比［J］. 复合材料科学与工程， 2023 （ 1 ）： 16 - 25 .

LIU Le ， SHI Jianwei ， YANG Jingjing ， et al . Multi-scale analysis and comparison of low-speed impact of carbon fiber plain and twill woven composite materials ［J］. Composites Science and Engineering ， 2023 （ 1 ）： 16 - 25 . （In Chinese）

SUN G Y ， ZUO W ， CHEN D D ， et al . On the effects of temperature on tensile behavior of carbon fiber reinforced epoxy laminates ［J］. Thin-Walled Structures ， 2021 ， 164 ： 107769 .

ROHART V ， LEBEL L L ， DUBÉ M . Effects of environmental conditions on the lap shear strength of resistance-welded carbon fibre/thermoplastic composite joints ［J］. Composites Part B：Engineering ， 2020 ， 198 ： 108239 .

SUN G Y ， KONG X R ， WANG Z ， et al . Experimental investigation into stamping of woven CF/PP laminates：influences of molding temperature on thermal，mesoscopic and macroscopic properties ［J］. Composite Structures ， 2021 ， 263 ： 113507 .

HWANG Y T ， KANG S Y ， KIM D H ， et al . The influence of consolidation temperature on in-plane and interlaminar mechanical properties of self-reinforced polypropylene composite ［J］. Composite Structures ， 2019 ， 210 ： 767 - 777 .

DUPLESSIS KERGOMARD Y ， RENARD J ， THIONNET A ， et al . Intralaminar and interlaminar damage in quasi-unidirectional stratified composite structures：experimental analysis ［J］. Composites Science and Technology ， 2010 ， 70 （ 10 ）： 1504 - 1512 .

ZHANG X J ， SHI Y C ， LI Z X . Experimental study on the tensile behavior of unidirectional and plain weave CFRP laminates under different strain rates ［J］. Composites Part B：Engineering ， 2019 ， 164 ： 524 - 536 .

王安威，潘利剑，刘佳，等 . 聚丙烯自增强复合材料力学性能的温度效应研究［J］. 航空制造技术， 2023 ， 66 （ 22 ）： 99 - 105 .

WANG Anwei ， PAN Lijian ， LIU Jia ， et al . Research on temperature effect of mechanical properties of polypropylene self-reinforced composites ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2023 ， 66 （ 22 ）： 99 - 105 . （In Chinese）

HE Q H ， WANG H J ， FU K K ， et al . 3D printed continuous CF/PA6 composites：effect of microscopic voids on mechanical performance ［J］. Composites Science and Technology ， 2020 ， 191 ： 108077 .

SEIFANS A M ， AYYAGARI S ， AL-HAIK M . Elastic/viscoplastic characterization of additively manufactured composite based on continuous carbon fibers ［J］. Aerospace Science and Technology ， 2021 ， 111 ： 106562 .

HONG C ， LEE S ， JI W . Shear strength determining mechanism of a +/-45 laminate under tensile loading ［J］. Composite Structures ， 2023 ， 326 ： 117627 .

YUAN X W ， LI W G ， XIAO Z M ， et al . Prediction of temperature-dependent transverse strength of carbon fiber reinforced polymer composites by a modified cohesive zone model ［J］. Composite Structures ， 2023 ，304（Part 1）：116310.

BARILE C ， KANNAN V P ， CASAVOLA C ， et al . Tensile and shear behavior of plain weave fabric carbon fiber reinforced polymer at elevated temperatures ［J］. Polymer Composites ， 2022 ， 43 （ 9 ）： 6536 - 6547 .

陈业中，俞飞，吴国峰，等 . 聚丙烯应力发白的研究进展［J］. 广东化工， 2021 ， 48 （ 23 ）： 106 - 108 .

CHEN Yezhong ， YU Fei ， WU Guofeng ， et al . Research progress on stress whitening of polypropylene ［J］. Guangdong Chemical Industry ， 2021 ， 48 （ 23 ）： 106 - 108 . （In Chinese）

WENG F ， FANG Y Y ， REN M F ， et al . Effect of high strain rate on shear properties of carbon fiber reinforced composites ［J］. Composites Science and Technology ， 2021 ， 203 ： 108599 .

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