作为新材料代表之一的碳纤维,因具有重量轻、强度高、柔软易加工、其复合材料可设计性强、便于整体成型等特点广泛用于航空、航天、风力发电、体育用品等领域,也是武器装备最重要的基础材料之一。为了提高国产碳纤维质量并开发出更高品质的碳纤维,进行了大量的性能测试和表征,如何根据碳纤维性能特点,针对性的改进其生产工艺,对碳纤维的开发研究具有重要意义。为此,本文选取了5个主要碳纤维生产企业生产的3大类共计14种碳纤维,在确定碳纤维力学性能的可靠性表征方法的同时,从碳纤维宏微观构造与力学性能的相关性开展研究,希望能够为碳纤维的产品开发、工程应用和生产提供一定的数据基础和预测模型。通过采用扫描电子显微镜对碳纤维的截面形貌进行测试发现,碳纤维的截面是不规则的圆形,现用的测试和计算碳纤维直径的方法如光学显微镜法测得直径偏大,拉伸强度偏小,线密度-体密度法测得直径偏小,拉伸强度偏大,给碳纤维拉伸强度的测算引入一定的误差。本文提出了一种利用碳纤维截面扫描电子显微镜图片获取碳纤维横截面积的便捷方法,既提高了碳纤维单丝拉伸强度的测试分析精度,又为本文的后续分析提供了可靠的数据基础。通过采用元素分析仪、拉曼光谱和X射线衍射测试和分析了碳纤维的元素含量、石墨化度和微晶层间距,并分别就碳含量、石墨化度和微晶层间距与碳纤维拉伸强度的相关性进行分析,对碳含量分析采用一元线性回归模型,对石墨化度和微晶层间距采用了多元线性回归模型,通过模型的显著性效果分析发现,T300级碳纤维的碳含量与拉伸强度存在相关性(显著性水平α<0.1),石墨化度和微晶层间距拉伸强度的相关性不明显;T700级碳纤维的碳含量与拉伸强度相关性显著(α<0.05),微晶层间距与拉伸强度的相关性明显,符合“皮芯结构”模型特点;M40级碳纤维碳含量与拉伸强度存在相关性(α<0.1),石墨化度和微晶层间距均与拉伸强度存在显著相关性,符合“洋葱皮”和“树墩”的三维立体结构模型特点。通过采用X射线衍射和X射线小角散射测试并分析了碳纤维的微晶结构参数如微晶堆砌宽度、微晶堆砌厚度和微孔结构参数如微孔半径、微孔分形维数对碳纤维拉伸强度的影响,由于微晶和微孔是碳纤维的微观结构组成部分,因此就微晶堆砌宽度、微晶堆砌厚度、微孔半径和微孔分形维数与拉伸强度进行了多元线性回归模型分析,结果发现T300级、T700级、M40级碳纤维的微晶堆砌厚度、微孔半径和微孔分形维数均与拉伸强度显著相关,微晶堆砌宽度与拉伸强度不显著相关。将碳纤维看作是微晶堆砌厚度作为增强相参数,微孔半径和微孔分形维数作为缺陷参数的复合材料结构,微晶堆砌厚度、微孔半径和微孔分形维数与拉伸强度的显著相关的结论符合复合材料细观力学强度理论。对碳纤维拉伸强度进行Weibull分布分析,通过对微孔半径和微孔分形维数和Weibull模数的线性回归分析和验证发现,T300级碳纤维的分形维数与拉伸强度的相关性明显,T700级碳纤维的微孔半径和微孔分形维数与拉伸强度均显著相关;M40级碳纤维的微孔半径与拉伸强度显著相关。同时验证了光学显微镜法、线密度-体密度计算法都会使Weibull模数的计算结果偏高,低估碳纤维的离散程度。基于GRIFFITH理论,给出了采用微孔半径获得碳纤维断裂韧性的一种分析和计算方法,通过微孔半径和微孔分形维数和断裂韧性的线性回归模型分析和验证发现,文中给出的测试断裂韧性的方法,对T300级碳纤维存在一定误差;T700级和M40级碳纤维的微孔半径和微孔分形维数和断裂韧性均是显著相关的。本文从T300级、T700级和M40级三类碳纤维的角度,给出了碳纤维宏微观构造与力学性能的相关性分析,得到了3类碳纤维的显著相关结构参数,并验证了碳纤维的结构模型和工艺机理,也为碳纤维的使用提供了数据预测模型。