聚丙烯腈(Polyacrylonitrile)基碳纤维具有优异的性能,包括高比强度、耐热性和耐腐蚀性等,广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。随着经济社会的快速发展,各行各业对高性能PAN基碳纤维及其复合材料制品的需求与日俱增。鉴于目前的生产能力,PAN基碳纤维的生产量和需求量存在巨大的缺口。预氧化是制备PAN基碳纤维的关键步骤。微波加热具有加热均匀、速度快和瞬时控制等优点,有利于解决温度梯度问题。为此本论文创新性提出微波预氧化。另外为了解决氧浓度梯度问题,本论文提出采用强氧化剂对PAN原丝改性。结合这两种方法以期解决PAN原丝常规预氧化过程中存在的传热和传质的问题,以获得高性能PAN预氧丝。本文研究了微波加热对PAN预氧化纤维结构和性能的影响。开展了氧化剂H2O2、KMnO4、KClO3对PAN原丝改性研究。对最优改性条件下的改性纤维进行微波加热预氧化处理。通过介电性能、体密度、化学结构、化学组成、晶体结构、微观结构、石墨化程度和力学性能的表征分析。主要结果如下:(1)H2O2与PAN纤维(PFs)的接触角为65.7°和67.6°,润湿性良好。H2O2改性可缩短预氧化时间并提高体密度。与微波加热预氧丝(MSFs5)相比,H2O2改性微波加热预氧丝(H-MSFs5)的体密度更高(1.403 g/cm3)。H-MSFs5反应程度(EOR)更大(0.697),表面光洁度更好,缺陷较少。H-MSFs5纤度为1.05 dtex,抗拉强度为1.60 dtex,初始模量为74.13 cN/dtex,断裂伸长率为3.49%。H-MSFs5比MSFs5具有更高的稳定性和更好的性能。(2)KMnO4与PFs的接触角为76.7°和76.4°,润湿性良好。KMnO4改性PFs的最佳浓度为2 wt.%,温度为80℃,时间为30 min。PFs是极性材料,改性后介电常数降低。与MSFs5相比,KMnO4改性微波加热预氧丝(Mn-MSFs5)的体密度提高0.04 g/cm3。EOR值提高10%。Mn-MSFs5的O含量以及含O官能团的组成更高。在预氧化之后,Mn元素不存在于纤维表面上,不影响预氧丝的结构。Mn-MSFs5的纤度为1.07 dtex,抗拉强度为1.52 cN/dtex,初始模量为59.3 cN/dtex,断裂伸长率为13.5%。Mn-MSFs5具有更高的预氧化程度和力学性能。KMnO4改性PFs微波预氧化过程的化学反应先后顺序为环化反应,脱氢和氧化反应。(3)KClO3与PFs的接触角为66.9°和66.4°,润湿性最好。KClO3改性PFs的最佳浓度为15 wt.%,时间为60 min。改性后PFs的介电常数增大。与MSFs5相比,KClO3改性微波加热预氧丝(Cl-MSFs5)的体密度提高高0.07g/cm3。EOR值提高8.2%。Cl-MSFs5的表面上不存在Cl元素,不影响预氧丝的结构。Cl-MSFs5的纤度为1.43 dtex,抗拉强度为1.13 cN/dtex,初始模量为58.24 cN/dtex,断裂伸长率为4.97%。Cl-MSFs5具有更高的预氧化程度和力学性能。KClO3改性PFs微波预氧化首先发生环化反应,然后进行脱氢和氧化反应。(4)KClO3改性PFs的最佳浓度为15 wt.%,时间为60 min,改性后微波预氧化所得预氧丝具有最优的力学性能和最高的预氧化程度。