聚丙烯腈基碳纤维由于其优异的力学性能已被广泛应用于生产生活各个领域,但是其实际强度与理论强度的差距仍然巨大,因此如何继续提高其强度仍是众多人研究的热点。通过对聚丙烯腈基碳纤维内部结构的研究发现,其内部的类石墨微晶结构与其力学性能密切相关。大尺寸微晶所带来的大尺寸孔隙缺陷和较少的交联结构会造成纤维拉伸强度的降低,因此适当降低微晶尺寸有利于提高碳纤维的拉伸强度,也就是所谓的碳纤维细晶化。而要想实现细晶化就要清楚碳纤维形成过程中其内部的微晶的形成机理,最终才能通过控制生产过程中的各种工艺条件来实现对纤维内晶体尺寸的控制,达到提高纤维强度的目的。本文通过间歇碳化实验和连续碳化实验两种方法,分别研究了低温碳化张力、高温碳化张力和碳化速度对聚丙烯腈基碳纤维内微晶结构的影响,通过X射线衍射仪和拉曼光谱等方法对纤维内的微晶结构进行表征,并分析了其与相应的纤维的力学性能的关系。通过对低温碳化张力作用下的不同碳化温度的纤维的微晶结构分析我们发现纤维内的微晶长度和微晶厚度不是同时增长的,并且通过对最终连续化实验的碳纤维的结构和性能之间的关系的分析,我们推导出纤维内微晶结构在碳化过程中的生长机理。经过稳定化的pan纤维内主要为梯形大分子链,这些分子链沿纤维轴向有一定取向。在低温碳化过程中这些梯形大分子之间发生非碳元素的脱除,迅速反应形成碳网平面,同时有序堆叠形成初始形态的微晶。此时微晶边缘主要为未反应的梯形大分子链。随着碳化反应的进行这些大分子链继续相互反应形成带状碳网平面。在高温碳化过程中,微晶边缘的带状碳网平面通过脱氮反应迅速增长堆叠,造成微晶尺寸迅速增加,最终形成彼此交联缠绕的微晶结构。低温碳化中张力通过影响梯形大分子链之间的反应和微晶堆叠的再调整来影响最终碳纤维内的晶体结构。当低温碳化结束后微晶长度有所增加,可是低温碳化过程中的张力和温度只是使得微晶形成更规整的堆叠状态,对堆叠厚度的增加几乎没有贡献。研究发现当低温碳化张力从250cn增加到450cn时,所得的碳纤维内的取向度没有明显变化,但是微晶尺寸表现出先减小后增加的趋势,相应的拉伸强度则先增加后降低。高温碳化中张力通过影响碳网平面和微晶的移动来调控碳纤维内的晶体结构。研究发现当高温碳化张力从500cn增加到700cn时,相应的拉伸强度先增加后降低,基本上与取向度的变化一致。纤维内的微晶尺寸表现出先减小后增加的趋势,在张力较大的条件下,大的微晶尺寸所带来的大尺寸缺陷和较少的交联结构也在一定程度上抑制了拉伸强度的提高。碳化速度对纤维的取向度影响不明显,但是发现了当碳化速度从15m/h增加到35m/h时,碳纤维内的微晶尺寸有先减小后增加的趋势,与之相对应的纤维的拉伸强度也表现出先增加后降低的趋势。而且总体上低碳化速度条件下所得到的纤维的微晶结构更规整,所得到的纤维的力学性能也更好。因此适当调控低温碳化张力、高温碳化张力和碳化速度是实现聚丙烯腈基碳纤维细晶化的有效手段。