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炭纤维是“高强轻质”材料领域的杰出代表，特别是聚丙烯腈(PAN)纤维已成为制备高性能炭纤维的主要原料之一。PAN纤维的预氧化稳定化过程在很大程度上决定着最终炭纤维的结构和性能。本文考察了PAN纤维的结构组成与热性能的关系；通过FT-IR定量技术阐明了稳定化过程的组成、结构及演变规律；对氧原子在预氧化过程中的结构组织形式进行了考察；揭示了环境湿度、热张力和升温速率在预氧化过程中的作用机制；最后，对硼酸在预氧化过程中的结合方式及其影响进行了初步探讨。
本论文的主要研究内容和结论如下：
1.从两种原丝A和B可制得力学性能大致相当的炭纤维，但稳定化后两利纤维的力学性能相差很大。这是由两者化学结构的差异造成的。原丝A的DSC曲线在300℃以下存在两个位置相近的放热峰，这两个放热峰分别代表两种不同的引发机理-分别由酰胺基和羧基引发。
2.用Friedman方程对原丝A的两种不同的氰基聚合引发机理的活化能进行了动力学估算，结果与Kissinger公式的计算结果基本吻合。由酰胺和羧酸引发的环化反应的表观活化能分别约106.45KJ/mol和133.24KJ/mol。利用Friedman方程估算的表观活化能对氧在预氧化过程中的作用过程进行推测：从160-189℃，同时存在氧化增重和氧化脱氢反应，以羟基脱水为主；188-234℃范围内由于温度提高和环化结构的形成使得氧化反应的发生速率提高；234-303℃范围是形成杂芳香结构的主要阶段，氰基环化和羟基脱水反应同时进行；在270-300℃范围主要发生分子链间脱水交联反应；而300℃以上主要发生分子链的裂解。
3.由FT-IR技术对PAN纤维预氧化过程中官能团的转变和浓度变化进行了定量考察。CH浓度在低于175℃时基本保持不变，但到175℃以后，浓度突然降低，表明发生了大量的氧化脱氢反应。再到235℃后浓度很低，且保持基本不变，此时氧化脱氢基本完成。各种不同吖啶酮结构的产生速率存在明显的差异。共轭羰基结构(1660cm-1)的形成基本与杂芳香梯形结构(1600cm-1)的形成同时进行，开始时形成速率基本相同，但在185-235℃范围内共轭羰
4.基结构的形成速率明显低于杂芳香梯形结构的形成速率。1690cm-1吸收峰是由氢键结合的脂肪族羰基造成的。在整个反应过程中，它始终保持较高浓度，说明PAN纤维中存在着大量没有环化的结构。结合最后氰基浓度，推断出分子间交联的环化反应在稳定化反应的整个过程大量发生。XPS表面分析手段表明PAN纤维的预氧化过程中产生类吡啶结构，并可进一步转化为稳定的类吡咯结构。
5.PAN纤维预氧化过程中PAN纤维组成、结构发生很大变化。高温下氧扩散速率较快，快速消除了皮芯两区结构。值得注意的是，在有适当外加张力存在下，提高升温速率使得环化反应比例提高，环化序列尺寸变长。但在无张力条件下，不会出现这种结果。
6.阐明了空气湿度在预氧化过程中的作用机制。空气湿度一方面起塑化作用，导致纤维直径细化，对双扩散起促进作用；另一方面则起钝化作用，阻碍分子链段的结构调整，减缓环化交联反应发生速率。这两种效应均有利于抑制致密的氧化层结构的形成，从而有利于氧分子的扩散渗透，可得到均质结构的炭纤维。空气湿度在一定程度上可提高炭纤维的力学性能，但湿度过高也会导致力学性能的降低，可能与氰基高温水解有关。较理想的空气相对湿度是85％左右。
7.预氧化前预牵伸有利于分子结构的有序排列，提高择优取向度；反应在非晶区中发生时，外加张力有利于促进环化反应的发生；反应在晶区中进行时，张力会阻碍环化反应的进行。此外，低温热张力有利于减小缺陷大小，并使缺陷分布变窄，导致炭纤维力学性能的提高。高温下分子结构已基本固定，张力的影响不大。
8.PAN纤维表面涂覆硼酸可在一定程度上抑制表面过度氧化，但过量硼酸会影响纤维的机械性能、热性能和表面结构等，结果带入新的缺陷。分析表明硼酸与纤维之间存在化学键合。