由于聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，PAN)基碳纤维具有优异的力学性能，所以在航天工程、国防军事和交通运输等领域得到广泛地应用。碳纤维的性能和它的显微结构密切相关。皮芯结构是一种有缺陷的结构，这种结构对碳纤维性能影响很大。本论文通过透射电子显微镜(TEM)选区电子衍射(SAED)和高分辨成像技术(HRTEM)等对PAN基碳纤维皮芯结构的显微结构以及工艺条件对微观结构的影响进行了研究。主要研究结果包括以下几个方面:　　1.PAN基碳纤维OA分布及皮芯过渡区研究　　本文在商用圆形碳纤维中发现了具有衬度环和无衬度环两种类型的横截面。衬度环在纵截面上表现为衬度区。通过定量分析碳纤维纵截面上系列SAED谱中(002)弧的方位角积分强度的半高宽可获取取向角(OA)分布，这种分布可用于表征碳纤维径向取向的不均匀性。没有衬度区的碳纤维OA分布近似一条直线。具有衬度区的碳纤维的OA分布的特征如下:从纤维表面向内，OA缓慢增大。在衬度区附近，OA值明显地减小，视为OA分布曲线上的拐点。在芯部，从芯部边缘向内0.6-1μm范围内，OA近似线性增加。如果芯部半径大于此范围，在芯部中心区域内，OA的变化是非线性的。皮部和芯部的最大OA差约为33°。衬度环（区）可以作为皮芯结构的标志和皮部与芯部的过渡区。　　通过自制碳纤维，研究了预氧化时间对径向OA分布的影响，发现部分自制的具有皮芯结构碳纤维的径向OA分布特征与商用碳纤维的类似。随预氧化时间的增加，过渡区的位置向纤维内部移动，在衬度区也存在OA拐点。当预氧化时间为8h时，OA拐点随着过渡区的消失而消失。通过OA测量和HRTEM观察，证实了过渡区的片层具有高取向性。它的形成与碳化过程中皮部和芯部的差异收缩产生的应力有关。与皮部和芯部相比，T700碳纤维的过渡区不仅具有较高的取向和较强的衬度，而且具有较高的密度。经2800℃热处理后，过渡区的择优取向度变差，但高密度和较强的衬度仍然存在。过渡区的较强衬度主要是由过渡区较高的密度造成的。　　2.纺丝改性对皮芯结构碳纤维OA分布的影响　　分别利用H3BO3和KMnO4溶液改性原丝1 h后，可减少原丝所需的预氧化时间。对于KMnO4改性制得的碳纤维，当原丝改性10 min后，改性剂几乎没有扩散到纤维内部，改性对芯部片层取向的提高影响很小。当改性时间增长到1 h后，改性剂能扩散到纤维内部，这时它才能有效地提高芯部的取向。改性时间对芯部取向的影响是由稳定化过程中改性剂引起的芯部环化度不同造成的。在KMnO4和H3BO3改性1h制备的碳纤维中，皮部和芯部的最大OA差小于9°。而且芯部中心的择优取向比部分皮部的择优取向高，这种反常OA分布不同于皮芯结构碳纤维皮部择优取向好而芯部择优取向差的普遍认识。芯部反常OA分布的形成是芯部改性剂和皮芯部的收缩应力作用的结果。　　3.基于TEM研究对皮芯结构碳纤维的新认识　　TEM是一种研究碳纤维的皮芯结构必不可少的手段，它不但可以观察皮芯衬度的变化，而且还可以用于对皮部和芯部结构的精确测量。在利用HRTEM研究皮芯部取向差异时，需要先确定纤维横截面的直径，只有直径附近纵截面上的HRTEM像才能较真实地反映皮芯取向的差异。皮芯衬度的产生源于预氧化阶段，即使预氧丝芯部所占的比例很小（约5％），皮芯衬度差也能够通过碳化遗传给碳纤维。　　在圆形的PAN碳纤维横截面中，在每个方向上，皮部长度都是相等的。而对于商用非圆形的PAN碳纤维，长轴方向上的皮部长度大于短轴方向上的。皮部长度的不同不是由纤维形状造成的，这可能是由于PAN纤维的密度在这两个方向上不相等所致。纤维直径并不是皮芯结构形成的决定因素。通常情况下，当碳纤维直径小于3.6μm时，就不会产生皮芯衬度。当纤维截面存在衬度差时，皮部和芯部就存在取向差。当截面不存在皮芯衬度差时，纤维表面和内部一般不存在取向差，但有时也可能存在。对于具有皮芯结构的Toray T700碳纤维，单纯增加热处理温度到2800℃后，不但不能减小皮部和芯部取向差，反而增加了两个区域的取向差。如果热处理过程中增加碳环境等条件，这将有利于减小皮部和芯部的取向差异。