碳纳米纤维是一种新型纳米纤维,由于前躯体多,性能优异而被广泛关注。聚丙烯腈（PAN）是一种性能较好的碳纳米纤维前驱体材料,而纳米纤维素（CNF）则是一种新型无机纳米增强材料,将两者结合纺丝是增强碳纳米纤维的一个新思路。本文采用静电纺制备聚丙烯腈（PAN）/纳米纤维素（CNF）纳米纤维膜,并通过碳化的方法制备出的PAN/CNF基碳纳米纤维,从而拓展了PAN和CNF的应用领域。本论文的研究内容主要包括:（1）PAN基碳纳米纤维制备工艺优化。以PAN为溶质,N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂配置PAN纺丝液,利用静电纺丝技术制备PAN纳米纤维膜,再经过预氧化和碳化处理,制备得到具有一定强力的碳纳米纤维,并对其性能和形态进行表征,根据纳米纤维膜的强力对各制备工艺参数进行优化。结果表明,碳纳米纤维最优制备工艺为:纺丝溶液浓度12%,推进速度为15mm/min,纺丝距离为20cm,纺丝电压为20kv,纺丝时间为180min,预氧化温度为280℃,时间为10min,碳化温度为1200℃。优化工艺制备的PAN纳米纤维碳化前的断裂强度为55Kpa,碳化后的断裂强度为13.1Mpa。（2）PAN/CNF碳纳米纤维制备工艺优化。为了提高PAN纳米纤维膜的断裂强度,在PAN纺丝液中加入疏水改性过的纳米纤维素（CNF）,通过静电纺技术制备PAN/CNF复合纤维膜。并对其进行预氧化和碳化处理,从而得到断裂强力较好的碳纳米纤维。通过黏度测试,电导率测试,SEM,TG,DSC,接触角测试和断裂强力,系统地研究了CNF长度对纺丝溶液和PAN纳米纤维膜的形态和性能的影响。结果表明,CNF分布在PAN纤维之间,增强了纤维之间的相互作用力,从而进一步提高PAN/CNF纤维膜的断裂强力。由于PAN和CNF之间形成的腈基和羟基的强极性相互作用,使得纺丝溶液的黏度和电导率随着CNF长度的增加而提高。PAN/CNF纳米纤维直径分布均匀,没有出现明显的串珠和团聚现象,并且随着CNF长度的增加,PAN/CNF纳米纤维的平均直径逐渐减小。此外,CNF的加入可以改善PAN的热稳定性和断裂强力。CNF的加入可以改善PAN碳纳米纤维的力学性能和导电性,断裂强力由55Kpa提升为79.1MPa,电阻由40KΩ降为10KΩ左右。CNF的加入可以提高碳化速率,降低PAN纳米纤维碳化温度。因此,CNF可以作为PAN基碳纳米纤维的有效增强材料。（3）PAN/CNF碳纳米纤维碳化机理研究。文章通过对纳米纤维不同阶段时的物理性能和化学性能的分析,如表面形貌、官能团结构、失重率、热稳定性和导电率等,构建物理模型并分析推测其化学反应过程,得出其碳化反应机理。结果表面,预氧化阶段,对于PAN/CNF纳米纤维膜,PAN分子内氰基断裂并发生环化反应,CNF主要发生脱水反应。在PAN链的自环化过程中,与CNF的-CH键相互作用,少量CNF插入PAN的分子链中,形成PAN/CNF相互作用结构。碳化阶段,PAN/CNF纳米纤维的聚合物链断裂后逐渐转变为类石墨层结构。在PAN环结构中,PAN分子链之间的-CH键在高温下相互作用以形成片状六环石墨结构。并且CNF将聚集成单糖衍生物,形成杂环芳族结构,其释放气体并与PAN分子相互作用形成梯形状环结构。在1200℃以上热处理后,碳残留物在N₂流下转化为更有序的碳结构。4)PAN/CNF碳纳米纤维表面改性研究。在碳化的基础上,对PAN/CNF复合纤维膜进行物理和化学改性方法进行对比,进一步提升碳纳米纤维的断裂强力。物理改性具体是在碳化过程中施加一定的拉伸比。化学改性是使用醋酸溶液对静电纺制备得到的纤维膜进行浸渍,而后再进行预氧化和碳化。结果表明:PAN/CNF碳纳米纤维的断裂强度随着拉伸比的升高而呈现出先增加后降低的趋势,最高达到85Mpa,醋酸可以降低纤维膜的反应能,使其在预氧化和碳化过程中更加稳定,得到纤维形态更好的碳纳米纤维。