对于碳纤维材料,非均质的径向结构分布导致纤维在承载应力作用时径向应力分布存在差异。碳纤维径向结构的演变依赖于碳化及石墨化温度,在性能上表现为模量的不同。因此,从受力分析出发,获得应力在纤维径向上的分布对于控制碳纤维结构及复合材料的设计有非常重要的作用。在本论文的研究中,微束同步辐射广角X射线衍射分析和应力条件下的微聚焦拉曼光谱分析在国内首次被应用于探究碳纤维径向应力的分布情况。为定量计算碳纤维径向承载应力的分布,建立了碳纤维结构的复合串并联模型,根据应力条件下碳纤维样品的表观拉曼偏移因子和微晶形变,最终获得了应力在碳纤维表皮和芯部、晶区与非晶区的分布。研究结果表明：1.碳纤维模量的增加和其径向结构的非均质性增大呈现同步的趋势,且模量较高的碳纤维,其纤维中皮层所占比例增加。2.随着施加应力的提高,碳纤维拉曼光谱的G峰(1580cm-1)逐渐红移,G峰偏移量与应力呈线性关系,其斜率定义为表观拉曼偏移因子αapp,表观拉曼偏移因子的增加归结于径向结构差异性的增大,且随模量的增大逐渐增加。3.对于模量较高的碳纤维样品,纤维表层的类石墨微晶尺寸较大,晶面间距较小,而在纤维芯部其类石墨微晶尺寸较小,晶面间距较大。4.引入了碳纤维皮芯结构和晶区与非晶区的串并联模型,根据αapp和应力下测得的微晶形变率,模拟计算了纤维在承载应力过程中应力在径向上及晶区和非晶区的定量分布情况。结果显示：纤维本体模量的增加导致纤维皮层承载应力增加了1.5倍左右,意味着对于模量较高的碳纤维样品,皮部越容易形成应力集中。