中间相沥青基炭纤维因其具有高模量、高导热的优点,在航空航天领域具有特殊用途。其完善的类石墨结构和高度轴向取向得益于中间相沥青分子的刚性二维平面结构。然而在纺丝时平面的沥青分子不仅会沿着纤维轴向取向,也会沿着径向取向,而在径向方向的取向结构导致类石墨层间作用力弱,从而降低了炭纤维的拉伸强度。因而在保证其轴向取向的同时,如何降低其径向取向成为提高沥青基炭纤维拉伸强度的关键。本文选用聚丙烯腈(PAN)做为掺杂料,加热环化后形成一维刚性高分子,在纺丝过程中起到改变中间相沥青分子径向取向的作用并在炭化时能形成类石墨结构碳。以可纺性较好的萘系中间相沥青为原料,用固液法与PAN均匀混合。通过傅里叶红外光谱分析仪、索氏萃取、偏光显微镜以及旋转流变仪等测试分析了PAN掺杂对中间相沥青原料可纺性的影响,初步确定了可纺温度以及可纺掺杂量。在实验室自制气压式单孔纺丝机上进行纺丝。所纺制的沥青纤维在热风烘箱中氧化不熔化并在箱式炭化炉中氮气保护下炭化得到炭纤维。采用热重分析(TG)、X射线衍射分析(XRD)、拉曼光谱(Raman)、场发射扫描电镜(FE-SEM)等检测了氧化、炭化后过程中纤维的重量变化、微晶结构、显微结构,并分析了炭纤维结构与力学性能的关系。研究内容及结论如下:(1)研究了PAN掺杂的均匀性以及对可纺性的影响。研究发现通过固液混合可以将PAN均匀分散在沥青中,且添加量适当时不影响其可纺性。当PAN掺杂量在0.3 wt.%以下时,收丝较好,可以获得与未掺杂料直径相同的沥青原丝;当掺杂量在0.3 wt.%以上时,环化的PAN分子弹性明显,限制了沥青分子的运动,导致不稳定流动,从而影响了沥青料的可纺性。(2)研究了PAN掺杂对炭纤维结构的影响。研究发现聚丙烯腈与中间相沥青有强烈的共炭化效应。掺杂量在0.3 wt.%以内的预氧丝在450℃之前炭化时,随着PAN浓度的增加,失重速率变快,但450℃之后失重速率较空白样品低,且最终碳收率随添加量有微弱的增加;掺杂0.3 wt.%PAN的炭纤维相对于未掺杂的微晶尺寸(La)和厚度(Lc)分别提高了38.36%和16.73%,且拉曼光谱D峰与G峰强度之比ID/IG值由原来的1.08减小到0.97。(3)研究了PAN掺杂对径向取向结构及力学性能的影响。研究发现PAN可以改变中间相沥青炭纤维的截面结构,有效减缓轴向劈裂产生,从而提高了炭纤维的拉伸强度。掺杂量为0.3 wt.%的沥青基炭纤维横截面出现大面积褶皱型,且拉伸强度相比空白炭纤维提高了16.56%。