碳纤维由于其优异的材料性能,而受到了广泛的关注和应用,其需求量一直在增加。碳纤维工艺生产线较长,其中占主导作用的是原丝的热稳定化过程。然而,原丝热稳定化过程非常复杂,包含了各种物理和化学变化。现有的研究多数集中在宏观层面,微观层面的研究严重不足,人们对其微观过程的认识非常有限。因此,本文利用分子动力学模拟,从原子尺度对原丝热稳定化的微观过程进行了探索,分析反应机理。主要研究内容及结果如下:(1)通过反应分子动力学模拟,分别研究了等离子体中的氨基自由基、羟基自由基、氧自由基,与聚丙烯腈(PAN)分子链在热稳定化条件下的相互作用与反应过程。研究结果表明,氨基自由基对PAN分子链的热稳定化几乎没有影响;羟基自由基能与PAN分子发生反应,不仅能在主链上引入氧或者羟基,还可以将腈基中的三键打开成为双键,使腈基活化;这有助于原丝在加热过程中,形成耐热的梯形结构;氧自由基的活性太高,虽然能快速地将氰基的碳氮三键转变为碳氮双键,但也会迅速地将主链氧化,导致分子链断裂成短的链段,不利于形成连续的梯形结构。(2)为了探索不同的基团对碳氮环化反应的影响,分别模拟了腈基被羟基和氢加成的PAN分子链的热稳定化过程,分析了脱水反应对碳氮环化反应的影响。从模拟中观察到了三种碳氮环化方式:一是相邻腈基上的羟基与羟基之间脱去一个水分子,形成碳氮六元环;二是相邻腈基上的羟基与氢之间,直接脱去一个水分子,形成碳氮七元环;三是腈基上的羟基与主链碳上的氢,脱去一个水分子,形成碳氮六元环。这些结果表明,在腈基上合理地引入羟基等基团,可以增加腈基的长度,增加腈基之间的碰撞概率,进而促进碳氮成环反应,加速热稳定化过程。(3)为了理解牵伸在PAN原丝热稳定化过程中的微观作用机制,模拟了PAN链被牵伸的分子动力学过程,分析了牵伸作用对PAN原丝在热稳定化过程中的分子链微观结构的影响。研究结果表明,在无牵伸的情况下,PAN分子链的腈基呈螺旋状取向,相邻氰基之间具有较大的空间位阻;牵伸作用的施加,不仅能够阻止原丝中PAN分子链的解取向和收缩,还能一定程度上缩短主链上相邻氰基之间的距离,进而有可能增加碳氮成环反应速率。然而,并非牵伸力越大,相邻氰基之间的距离越小,而是存在一个最佳牵伸力,当牵伸力超过该数值的时候,相邻氰基之间的距离会由于过度拉伸而增大。(4)对采用聚氯乙烯(PVC)作为新型原丝材料,制备碳纤维的构想进行了理论探究。所得结果表明,PVC原丝在热的作用下,会发生分解,难以形成交联或梯形结构,难以热稳定化,并不适于用作碳纤维原料。