中间相沥青基炭纤维具备高比模量、高热导率和电导率等优异性能,在高性能结构材料、高导热炭/炭复合材料和高端电子设备的热管理材料等方面均具有巨大的应用潜力。中间相沥青基炭纤维的优异性能来源于其内部沿纤维轴向高度取向的石墨微晶。该结构主要在熔融纺丝阶段受不同纺丝条件(温度、压力、喷丝孔结构等)的影响,由中间相沥青的向列型盘状液晶进行有序排列形成。后续热处理是对该微晶结构的进一步发展和完善。因此中间相沥青的熔融纺丝成为控制和优化炭纤维结构与性能的关键一环。本文针对中间相沥青的熔融纺丝及其涉及的中间相沥青流变特性展开研究,从中间相沥青的结构和流变表征入手,提出了可纺性能的评价方法,研究了纺丝条件对炭纤维结构与性能的影响规律,并对纺丝过程中的挤出胀大现象进行了系统表征和分析。此外,针对目前高导热复合材料的应用需求,制备了基于中间相沥青基炭纤维的高导热骨架材料,并探讨了其导热性能的影响因素。论文的主要研究工作如下:采用偏光显微分析、红外光谱分析、元素分析、族组分分析、固体核磁分析、飞行时间质谱分析、热重分析、毛细管流变和旋转流变性能分析对五种原料来源和合成方法各异的中间相沥青的物理化学性质进行了系统研究。结合试纺结果提出了中间相沥青的可纺性能评价方法:(1)中间相沥青需具有较好的热稳定性且毛细管流变仪挤出物表面光滑;(2)振荡流变测试中得到损耗因子tanδ>10且储能模量G′>40 Pa。而最佳纺丝区间,则受到不同沥青分子结构参数的影响。选取了喷丝孔入口倒角、温度、收丝速率以及压力四个纺丝影响因素,各因素选择三个水平,采用Taguchi正交试验法对中间相沥青(MP-4)进行熔融纺丝研究。对炭纤维的直径、截面形貌、取向度、拉伸模量和热导率进行了系统表征。结果表明:所获9组炭纤维的截面结构均为开裂放射型但开裂角度不同。温度升高、压力增大、入口倒角减小、收丝速率减小均可获得直径更大的炭纤维;四个因素中收丝速率对炭纤维直径的影响最显著;炭纤维直径越大其取向度越高,并发现喷丝孔入口倒角对炭纤维的取向度影响最大;取向度随着入口倒角的减小而增大,且取向度越高则炭纤维开裂角度越大、拉伸模量越高;经石墨化后,纤维的开裂角度进一步增大,且其热导率基本随纤维直径的增大而增大。采用配备有多种喷丝孔结构的氮压式纺丝机在纺丝条件下(无牵伸)对中间相沥青(MP-4)的挤出胀大特性进行了系统的研究。结果表明:中间相沥青熔体的挤出胀大比随剪切速率的增大而减小,随温度的升高而增大;当剪切速率足够大时,挤出胀大比基本保持在恒定值,且与喷丝孔的长径比和温度无关,但这一恒定值随着喷丝孔入口倒角的增大而减小;当使用零长喷丝孔时,挤出胀大比基本不受中间相沥青熔体的温度和挤出速率的影响;通过对中间相沥青挤出物和内含中间相沥青的喷丝孔剖面偏光显微结构的观察,发现喷丝孔入口倒角区域的收敛流动(拉伸作用)使中间相沥青熔体高度取向排列,毛细管流道内的剪切作用使中间相沥青熔体发生翻转产生波浪结构并保留在挤出物中。通过浆料成型法将中间相沥青基炭纤维与酚醛树脂复合,制备了体密度为0.09~0.39 g/cm~3的高导热炭纤维碳粘骨架材料,并将石蜡浸渍到骨架材料中制得相变储能复合材料。研究表明该复合材料具有很好的形状稳定性及导热性能;骨架材料的各向异性使得其相变储能复合材料在水平方向和垂直方向的导热性能具有明显差异;相变储能复合材料在水平方向的导热系数是纯石蜡的18.2~57.6倍,垂直方向的导热系数是纯石蜡的3.7~5.5倍;当骨架材料体密度为0.39 g/cm~3时制备的相变储能复合材料的水平方向导热系数为13.82 W/(m·K),其吸热和放热时间分别为纯石蜡的1/4、1/6;经40次吸放热循环后,石蜡在相变储能复合材料中的质量分数仍为56~70%,且趋于稳定。采用热压成型法将适度预氧化的沥青纤维(MP-4)制备出了一种低密度、高稳定性、高导热炭纤维自粘结骨架材料。通过对预氧化纤维的红外光谱分析、热重分析、氧元素分布表征以及自粘结骨架材料的显微结构研究表明,纤维的预氧化程度是制备高导热炭纤维自粘结骨架材料以及形成高效导热通道的关键因素。通过对炭纤维自粘结骨架材料显微结构观察及抗压强度测试结果表明炭纤维之间存在牢固的粘结力;将石蜡浸渍到自粘结骨架材料(石墨化样品)中制得相变储能复合材料。该复合材料中纤维的体积分数为20.7%,且复合材料的水平方向导热系数为36.49 W/(m·K),是纯石蜡的152倍,是炭纤维碳粘骨架/石蜡相变储能复合材料的2.6倍;基于导热模型计算得到自粘结骨架制备的相变储能复合材料的界面热阻比炭纤维碳粘骨架制备的相变储能复合材料低1个数量级。