碳纤维的性能在很大程度上取决于原丝的性能,但是预氧化和炭化工艺也起着关键性作用。为了研制高性能碳纤维,应考虑到纤维的结构因素及与此相适应的工艺参数。然而,影响碳纤维性能的因素很多,综合起来,一是微晶沿纤维轴向的择优取向度,二是纤维中包含的缺陷。碳收率低,纤维中的缺陷就会增多,因此必须提高纤维结构完整性。Gupta等人研究发现,在一定初始应力下对聚丙烯腈纤维在不同气氛中进行热处理,氩气中应力增加最快,空气中次之而氧气中最小。由于应力的增加是环化反应的结果,因此有理由认为,氧化和环化之间存在一定的竞争性,过早的氧化也可能会导致环化结构的不完整。本论文拟先在氮气中对聚丙烯腈纤维进行刚性牵伸处理使其先环化完整,再在空气中氧化交联,以期望抑制纤维的解取向并提高PAN预氧化纤维的环化度和结构完整性,经过炭化提高碳纤维的力学性能。采用日本三菱公司生产的高性能PAN原丝,分别对其进行氮气中热处理和空气中热处理,通过红外光谱和动态力学分析发现该原丝经过氮气热处理只发生分子内环化,并没有发生分子间环化,而经过空气热处理,纤维分子同时发生了分子内环化和分子间环化。氮气中热处理纤维的环化度比在空气中热处理的环化度要高,分子形成更加完整的环化梯形结构。通过热分析、线密度测试和元素分析,发现PAN原丝经过氮气热处理后,纤维放热量增加且放热峰提前,继续在空气中氧化处理后,纤维的线密度和氧元素含量都相对较高,结果表明经过氮气热处理后,纤维分子结构更加完整,反应活性进一步提高,有利于进一步氧化交联处理。在氮气热处理过程中,PAN纤维分子环化,柔性链转变成为刚性链,此时对纤维施加一定的牵伸——即刚性牵伸,可以有效抑制纤维分子的解取向。牵伸率越高,取向度越高,结晶度也越高,这对提高碳纤维力学性能是有利的。PAN纤维经过氮气气氛下的刚性牵伸处理,其力学性能得到提高。断裂强度随牵伸率的增加而增加,模量随牵伸率的增加先增大后减小,并在10%～20%附近达到较高值。结果说明PAN纤维经过刚性牵伸预氧化处理后,环化度和取向度提高,结构更加完整,可以在一定条件下制备力学性能更高的聚丙烯腈基碳纤维。