碳纤维具有一系列优异性能,已被广泛应用于各个领域,聚丙烯腈（PAN）基碳纤维由于具有多种优势从而迅速成为当今碳纤维工业生产中的重要品种之一。但是我国PAN基碳纤维质量与国外差距巨大,主要是因为PAN原丝质量不过关。众所周知,高性能原丝是制备高质量碳纤维的前提,而原丝的性能主要取决于原丝内部的微孔结构。在纤维成型过程中,尽管其微观组织结构不断演变和转化,但所出现的结构缺陷很可能一直遗传到碳纤维中,所以在纺丝过程中要尽量避免结构缺陷的引入,这样才能制备具有理想微孔结构的优质原丝。因此,只有清楚地阐明湿法、干湿法纺丝过程中PAN原丝的相分离机理,才能更好地预测纤维性能并为深入研究提供更大的空间。本论文主要分为四大部分,第一部分采用多种手段研究了PAN纺丝溶液的热力学性质和流体力学性质,深入阐明了PAN-DMSO-H₂O体系的热力学稳定性和流变学性质及凝胶化机理;第二部分根据实验测定的二元相互作用参数和扩展的Flory-Huggins热力学理论模型建立了PAN-DMSO-H₂O体系在一系列温度下的三元理论相图;第三部分通过浊点滴定和Boom线性方程通过理论计算确定了此体系在不同温度下的三元浊点相图;第四部分根据建立的三元理论相图和三元浊点相图,探讨了湿法、干湿法纤维成型机理,并进一步分析了不同纺丝工艺参数对纤维断面形貌、微孔结构和性能的影响,探讨了PAN原丝断面微孔结构的形成机理。第二章分别采用粘度法、变温红外测试、动态光散射和动静态流变测试研究了PAN纺丝溶液的热力学性质和流体力学性质,粘度测试结果表明PAN-DMSO-H₂O体系是一个具有最高临界共溶温度（UCST）型的相行为的热力学稳定体系,适合作为PAN原丝的纺丝溶液;变温红外证明了PAN和DMSO之间在35℃附近具有最强的氢键作用,与计算结果相吻合;动态光散射研究表明了溶胶-凝胶转变是一个漫长的动态的可逆的过程;流变测试结果表明PAN-DMSO-H₂O溶液有较好的保持取向的能力,体系在低频区域符合线性粘弹理论。第三章介绍了非溶剂-溶剂、非溶剂-聚合物和溶剂-聚合物二元相互作用参数的实验和计算方法。以扩展的Flory-Huggins理论和实验测定的二元相互作用参数为基础,通过连续迭代计算得到了PAN-DMSO-H₂O体系在不同温度下的三元理论相图。基于建立的三元理论相图,进一步探讨了此体系的温度依赖性,随着温度的增加,三元理论相图中的双节线逐渐向PAN-H₂O轴靠近,同时较大的g12值以及较小的χ13值均可以使双节线向PAN-H₂O轴靠近,也会增大体系三相图的均相区。第四章采用浊点滴定法和降温浊点法测定了PAN-DMSO-H₂O体系低浓度时的浊点数据,并根据Boom的线性浊点方程（LCP）采用外推法得到了完整的实验双节线,结果与理论双节线相符合,验证了实验测定的二元相互作用参数的合理性。最后,结合理论计算的旋节线,获得了包括临界点、双节线、旋节线和相分离路径的一系列凝固成型条件下的完整三相图。第五章采用SEM扫描电镜来研究PAN纤维的断面形貌,研究发现随着PAN纺丝溶液浓度和淬火深度的增加,PAN纤维的断面形貌由最初的开放式沟渠状大孔变为封闭的液滴状小孔结构,同时PAN纤维的孔隙率随之降低,同时PAN纤维的断面形状则由肾形变为椭圆形或圆形,主要是由在相分离不同的阶段DMSO-H₂O之间扩散速率的变化所造成的。PAN纤维的不同孔形态是由不同的分相机理造成的,稀溶液比浓溶液更加可能进行旋节分相（SD）,进而形成沟渠状孔结构,相反浓溶液则主要以成核生长方式（NG）进行相分离,形成液滴状孔结构。本论文深入研究了PAN纤维成型过程中的相分离机理,以及纺丝工艺条件对PAN原丝结构及性能的影响,进一步通过相分离机理解释了各种微孔结构产生的本质原因,全面深入的了解了PAN-DMSO-H₂O体系的湿法、干湿法纺丝工艺条件、成形机理、结构、性能以及它们之间的必然联系,为优质碳纤维原丝的制备提供了理论依据。