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中间相沥青基炭纤维及其复合材料具有低密度、低热膨胀系数等特点,在导电导热和力学性能等方面表现特别优异,成为当今材料应用领域的佼佼者,在军事工业、民用领域等应用很有前景,中间相沥青基炭纤维的最终性能在很大程度上取决于其显微结构特征-石墨片层的取向和有序排列、石墨微晶参数和结构缺陷。而炭纤维的显微结构又与预氧化过程中的化学结构演变和炭化石墨化过程中的晶体结构演变直接相关。因此,本文研究了中间相沥青纤维在预氧化过程中的化学结构演变、炭化和石墨化过程中的晶体结构演变,并探讨了最终炭纤维显微结构与其导电导热和力学性能的关联。此外,本文制备了基于中间相沥青基炭纤维的三维高导热C/C复合材料,并探讨了基体碳对其导热性能的影响。研究工作取得的主要结论如下:1、通过FT-IR、TG-MS、EDS等测试手段揭示了预氧化过程中纤维的化学结构变化及相应石墨纤维的显微结构演变。分析认为,氧的扩散和反应过程决定着沥青纤维预氧化的进程和均匀性。纤维截面的氧分布的均匀性和氧化程度是影响最终炭纤维的显微结构与性能的根本原因。沥青纤维经低温长时间氧化,纤维的横截面结构均匀,径向氧分布梯度小;经高温短时间氧化,纤维易形成皮芯结构,径向氧分布梯度大。2、在炭化过程中,纤维中的沥青分子主要发生脱氢、脱氧反应,生成水、氢、甲烷、一氧化碳等小分子物质,最终形成层片状的石墨微晶结构。经过450℃低温炭化后,在500-1000℃的炭化温度范围内,炭化升温速率对最终石墨纤维的结构和性能影响不大,而为缩短炭化时间提供了一定的技术基础。3、研究发现所制得的沥青纤维优化的预氧化条件是在240oC空气气氛氧化6h。炭化和石墨化主要影响预氧化纤维在后续高温热处理过程中石墨微晶的生长和发育及石墨片层的取向和有序堆叠。研究表明,沥青纤维经240oC空气气氛氧化6 h和450oC低温炭化,再经3000oC石墨化热处理所得石墨纤维拉伸强度和杨氏模量可分别达到2.54 GPa和650 GPa,热导率可达862.6 W/m?K。此外,牵伸对石墨化纤维的力学性能和导热性能具有显著影响。经过牵伸后,2600℃石墨纤维的拉伸强度和杨氏模量分别提高了24.2%与11%,3000℃石墨纤维热导率由846W/m?K提高到962.6 W/m·K。4、基于中间相沥青基炭纤维的三维C/C复合材料沿X、Y、Z方向的导电导热和力学性能表现出各向异性。三维C/C复合材料在X,Y方向上热扩散系数分别为159.3 m~2/s,145.9 m~2/s,相应的导热率分别为234 W/m?K,203.6 W/m?K,而Z方向上热扩散系数30.5 m~2/s,相应的导热率仅为41.5 W/m?K。所得三维C/C复合材料的力学性能明显高于一维和二维C/C复合材料,其沿X和Y方向弯曲强度分别高达176.9和158.3 MPa。通过热传导的逾渗理论解释了基体碳对对三维C/C复合材料导电导热性能的影响。