本文以PAN基碳纤维为研究对象，对其进行1300²300℃的高温热处理，制备出一系列具有不同组成结构的碳纤维，并研究了其组成、化学结构和微晶结构的高温演变规律。选取了其中具有特定组成和结构的碳纤维，研究了其热氧化性能的差异，探讨了碳纤维的组成和结构与其热氧化性能的关联性。研究结果表明：随着热处理温度的升高，碳纤维中的N元素含量不断减少，C元素含量不断上升，1900℃之后，碳纤维的组成基本不再变化；碳纤维的石墨化度不断增加，由于N元素脱除的影响，碳纤维的石墨化度在1900℃处存在拐点；而碳纤维的微晶尺寸La和Lc则不断增加，说明石墨微晶在各个方向均不断增长，而石墨片层间距d₀₀₂不断减小，石墨片层堆叠逐渐致密。选取经过不同温度高温热处理，具有不同组成结构特点的碳纤维，研究了热氧化性能的变化。通过空气气氛下的热重分析发现，碳纤维的氧化反应与温度密切相关，在较低温度下（500℃），碳纤维在空气气氛下存在一个较明显的增重过程，随后产生失重，称之为初始氧化；而在较高温度下（600℃），纤维质量随时间延长持续减少，称之为氧化失重阶段。在初始氧化阶段，碳纤维中的碳与空气中的氧结合生成-OH、-C=O和-COOH等基团并存在于纤维中，从而引起纤维的增重。N含量较高的碳纤维，其初始氧化增重也较为明显。由于形成的含氧官能团在500℃下较为稳定，随氧化时间的进一步延长，N含量较高的碳纤维失重较少。N元素含量较高的碳纤维，由于N对碳六元环共轭结构的破坏，含N的环结构中碳原子的活性越高，碳与氧的结合能力较强。对于N含量基本为0的碳纤维，碳纤维的石墨结构对初始氧化阶段碳与氧的结合影响不大。在氧化失重阶段（600℃），由于纤维中N的存在增加了碳与氧的反应活性，因此N含量较高的碳纤维氧化失重速率较高；石墨结构较完整的碳纤维，其氧化失重速率较低。在氧化失重过程，碳纤维石墨化程度降低，微晶尺寸减少。N含量较高的碳纤维，氧化后石墨化程度下降较明显，而微晶尺寸变化则较微小；石墨结构较完整的碳纤维，在氧化后其石墨化程度较高，微晶尺寸较大。