碳纤维是20世纪60年代兴起的一种新型纤维材料,它广泛运用在国防(宇航工业、战略导弹、现代军用舰艇等)、商业、民用(航空、文体、工业以及运输等)上。它是一种理想的功能材料和结构材料,不仅耐高温、抗蠕变、耐腐蚀,而且热膨胀系数小、尺寸稳定性好、比强度和比模量高。聚丙烯腈基(PAN)原丝作为碳纤维的前驱体,提高其结构性能是制备优质碳纤维的关键因素。国内外已有许多关于聚丙烯腈基原丝的报道,在研究内容方面探讨成品原丝微观结构特征的较多,而系统研究结构形成过程的还较少。本文对关键工艺节点上的原丝进行跟踪测试,目的是掌握原丝结构及其缺陷的变化规律,从而改进工艺、提高原丝质量。使用广角X射线衍射(WAXD)技术表征纤维结晶度、取向度的变化规律,从W AXD图中我们可以看出,随着纺丝的进行,过程纤维的结晶度和取向度逐渐增大；用单纤维强力机测量PAN纤维的断裂强度,发现纤维的结晶度和取向度越高,其断裂强度越大,相对于结晶度和取向度,晶粒尺寸对PAN原丝断裂强度的影响较小；使用扫描电子显微镜(SEM)和小角X射线散射(SAXS)技术表征纤维的表面缺陷和内部微孔洞缺陷,随着牵伸的进行,纤维逐渐细旦化、致密化,内部的无取向圆形孔逐渐向有取向的椭圆形孔过度,同时初生纤维的表面缺陷会遗传给成品PAN原丝,并且有放大趋势。同时本文还将实验室自制的PAN原丝和日本PAN原丝进行比较,分析结果表明自制原丝的取向度超过了日本原丝,说明自制原丝采用较大的初始牵伸力能够促使高分子链更好的伸直取向。然而自制原丝结晶度较低,大尺寸孔洞所占体积分数较高,说明初始牵伸力过大会拉伤凝胶网络中的骨架而残留下较多大尺寸的缺陷源；自制纤维表面的凹槽产生于初生纤维并一直保留到成品原丝中,然而日本PAN原丝的表面却很平整,这说明我们使用的上油工艺仍需改进。本文研究的意义在于提出系统的理论指导碳纤维原丝的生产,此外,通过优化工艺控制微观结构来改善碳纤维原丝的质量,从而开发出更优质的碳纤维材料。