聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料_柴晓燕
聚丙烯腈基碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料的研制
聚丙烯腈基碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料的研制1．聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90%以上，成为最主要的品种。
1.1聚丙烯腈基碳纤维的制备聚丙烯基碳纤维是继粘胶基碳纤维后第二个开发成功的碳纤维。
它是目前各种碳纤维中产量最高品种最多发展最快技术最成熟的一种碳纤维。
聚丙烯腈（PAN）是由（AN）聚合而成的链状高分子。
由于PAN在它的熔点317℃以前就开始热分解，因此不能采用熔融纺丝而只能通过溶剂进行湿法或干法纺丝。
聚丙烯腈碳纤维的生产过程分三步：(1)预氧化；(2)高温碳化处理；（3）高温石墨化处理。
(1)聚丙烯腈原丝的预氧化预氧化的目的就是为了防止原丝在碳化时熔融，通过氧化反应使得纤维分子中含有羟基，羰基，这样可在分子间和分子内形成氢键，从而提高纤维的热稳定性。
在聚丙烯腈纤维预氧化过程中可能发生的主要化学反应和氧化脱氢反应。
分析结果表明在大约200℃左右约有75％氰基发生了化学反应。
未环化的杂化发生氧化脱氢反应，使纤维中结合一部分氧。
一般认为，在制造聚丙烯腈碳纤维时，纤维仅需要部分氧化，含氧量在5％~10％较好。
预氧化采用的方法有两种：空气氧化法和催化法。
原丝在200~300℃空气中预氧化时，其颜色从白→黄→棕→黑，说明聚合物发生了一系列的化学变化，并开始形成石墨微晶结构。
催化环化是将聚丙烯腈原丝在225℃的SnCl4二苯醚溶液中催化成环。
催化法有可能使部分氰基未被氧化，造成结构缺陷。
目前工业生产上普遍采用的是空气预氧化法。
增塑法制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的研究进展
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.26.001增塑法制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的研究进展①李翔1,2*党晓楠3(1.镇江市高等专科学校医药与化材学院 江苏镇江 212000;2.镇江市功能化学重点实验室 江苏镇江 212000;3.镇江市出入境检验检疫局 江苏镇江 212000)摘 要：增塑纺丝作为一种新型的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法受到了广泛关注。
该制备方法采用较少溶剂，纤维结构容易控制；但制备方法对纺丝设备以及工艺技术的要求高，尚未被应用于工业化。
本文将对目前的增塑纺丝研究现状进行全面总结，同时，对未来的研究方向进行展望。
关键词：增塑纺丝 聚丙烯腈 制备中图分类号：TQ342 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2018)09(b)-0001-04Abstract: As a new type of polyacrylonitrile-based carbon fiber precursor, plasticized spinning has received extensive attention. A small amount of solvent is used in this method and it is easy to control the fiber structure. However, this method has high requirements on spinning equipment and process technology, and has not been industrialized. This paper will comprehensively summarize the current research status of plasticized spinning, at the same time, we also forecast the future research trends.Key Words: Plasticized spinning; Polyacrylonitrile; Preparation①基金项目：2018年镇江市重点研发计划——产业前瞻与共性关键技术项目(项目编号：GY2018028)；江苏开放大学江苏城 市职业学院“十三五”2016年度科研规划课题(项目编号：16SSW-Q-019)；江苏省现代教育科技研究2018年重 点课题(2018-R-63528)；江苏省2018年高校哲学社会科学研究基金项目(项目编号：2018SJA1110)。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用徐志鹏北京化工研究院摘要自2007年国务院公布国产大飞机战略以来，这一领域的发展获得了持续的关注。
然而当今的国际大飞机市场被波音和空客两大公司所垄断，国产大飞机想要赢得市场面临多方面的挑战，其中之一就是高性能复合材料的应用。
聚丙烯腈基碳纤维复合材料诞生五十多年以来，发展迅猛，已经从传统的航空航天领域逐渐向汽车、风电等领域拓展市场，未来市场潜力巨大。
而目前中国仅能生产相当于T300,T700性能的碳纤维，不仅无法满足国产大飞机的材料需求，而且该领域的技术短板也限制了很多行业的发展。
本文在综合了前人研究成果的基础上，介绍了碳纤维的发展历程，PAN基碳纤维的关键技术和碳纤维复合材料在商用大飞机上的应用情况。
笔者认为，有市场竞争力的国产大飞机必须大量使用高质量的碳纤维复合材料，而突破PAN基碳纤维复合材料技术壁垒的关键在于生产高质量的碳原丝，其技术突破点在于干喷湿纺和凝胶纺丝生产技术的掌握与改进。
关键字：PAN基碳纤维，大飞机，碳原丝，干喷湿纺, 凝胶纺丝ABSTRACTLarge Plane Project has been fascinating Chinese public for years since its first announcement by State Council in 2007. China-made large plane is now facing varieties of challenge, while Boeing and Airbus are on the monopoly of market, one of the main challenge is the application of carbon fiber composite material. PAN based carbon fiber composite has witnessed a boost since it’s born in the past 50years, and now is expanding its application from space project to automobile and wind power generation projects. Carbon fiber industry in China cannot satisfy the demand of large plane project and many other industrial demands, because we can only made carbon fiber as well as T300 and T700 by our self. This article introduced the history of carbon fiber, key technology of PAN based carbon fiber and how PAN based carbon fiber is used in commercial large aircrafts. The author of this article believes the China-made large plane must use plenty of carbon fiber based composite to win the market and the key technology we need to break through is dry-wet spinning and gel spinning technique to make high performance PAN-based carbon fiber precursor.Key words: PAN based carbon fiber, large plane, carbon fiber precursor前言国产大飞机战略自发布以来，引发了广泛的关注。
碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维制备工艺研究
性材料对缺陷十分敏感 ， 是 制约其抗拉强度 的主
要因素 ， 碳 纤 维 中 拉 伸 断 裂 发 生 在 结 构 缺 陷
处 。
按 缺陷在 碳纤 维 中所处 的位置 可分 为表 面缺 陷和 内部缺 陷 。表 面 缺 陷 占缺 陷 总 数 的 ９ ０ ％ 左
在 自行 搭建 的碳 纳米 管增 强碳纤 维单 喷头 静
电喷射 装 置进行 试验 。
１ ． ２ 试验原 料
右， 包括纤维表面的裂纹、 微纤 中的扭接和弯 曲、
表 面 凹槽 等 ； 内部 缺陷 主要包 括空 洞 、 杂 质 和针状 孔 洞等 。当碳 纤 维 受 到应 力 作 用 时 ， 这 些 缺 陷都
以 日本 Ｔ一３ ０ ０级碳 纤 维 为试 验 原 料 。多 壁 碳纳 米 管 ， 北 京 德 科 岛金 科 技 有 限公 司 生产 ； 丙 酮， 分 析纯 ， 上海 化学试 剂 有 限公 司 生产 ； 乙醇 ， 分 析纯 ， 国药 集 团化学试 剂有 限公 司生 产 ； 十二烷 基 苯 磺 酸钠 ， 分析 纯 ， 天 津 市 化学 试 剂 三 厂生 产 ； Ｎ， Ⅳ一二 甲基 甲酰胺 （ Ｄ ＭＦ ） ， 分析纯 ， 国药 集 团化 学
石 油 化 工 技 术 与 经 济
Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ＆ Ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍｉ ｃ ｓ ｉ ｎ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｓ
第３ １ 卷
第３ 期
２ ０ １ ５ 年 ６ 月
滑无异 物 ， 沿纤 维 轴 向平 行 分 布 着 明显 的纵 向沟
微镜 （ Ａ Ｆ Ｍ） 分析手 段 ， 研 究 碳纳米 管增 强 Ｐ Ａ Ｎ基 碳纤 维 制备 工 艺 ， 包 括 喷射 液 种类 、 电压 、 喷射 距 离、 挤 出速 率及 喷射 时间对 喷射 效果 的影 响 ， 为研
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
SGL 台塑集团
Aksa
Aldila
世界PAN碳纤维主要生产企业
全球主要企业PAN碳纤维产能
设计产能（吨）
东丽集团
东邦特耐克丝公司
小丝束
1K/3K/6K/ 12K/24K
三菱人造丝公司 台塑集团 赫氏公司 氰特工程材料公司
土耳其Aksa公司
印度Kemrock公司
产能合计
产量系数0.7
2009 17600 13500 7400 6150 4750 2000
▪ 2010年，中复神鹰碳纤维公司通过碳纤维及关键设备研发项目的国家级鉴 定，标志着我国成功实现碳纤维国产化和产业化，建成国内首台套规模最大、 技术成熟的千吨级生产线。
国内碳纤维研究学术机构及个人
1、杨玉良，科技部“973”计划“高性能碳纤维相关重大问题的基础研究” 项目首席科学家，中国科学院院士，复旦大学校长 2、徐樑华，国家碳纤维工程技术研究中心主任，北京化工大学材料科学与 工程学院副院长 2、余木火，东华大学纤维材料改性国家重点实验室常务副主任，东华大学 研究院副院长
我国碳纤维产业发展情况
我国对碳纤维的研究起步较早，始于20世纪60年代，国家 863计划、973计划等均对碳纤维研制进行了支持，但进展较缓慢， 产品严重依赖进口。
2000年以来，在以师昌绪院士为首的一批材料界前辈的大力 推动下，我国碳纤维研发取得了长足的进步。在国内科研院所和以 中国航天四院为代表的一大批企业的参与下，完成了高强中模碳纤 维和基本型高模高强纤维制备技术的攻关，今后的研发重点将围绕 超高强中模和更高性能的高模高强碳纤维制备技术展开。
其他性能
耐高温（2000℃ 以上），低热膨 胀系数，比热容 小，出色的抗热 冲击性，优秀的 抗腐蚀和抗辐射 性能。
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维复合材料
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复合材料2010136103徐铭华摘要:对PAN基碳纤维的发展历程、现状以及以其为增强体的复合材料进行了综述，并对PAN基碳纤维增强复合材料在航天领域的主要使用情况进行了介绍，最后对我国高性能碳纤维复合材料的现状及发展重点进行了探讨。
关键词:PAN基碳纤维;复合材料;航天领域;使用Abstract:In this article, the development of PAN-based carbon fiber, its character and composites reinforced by it is overviewed. The main application of carbon fiber reinforced composites on aerospace is also introduced here .Finally, the status and future development of PAN-based carbon fiber is discussed.Key words: PAN-based carbon fiber; composites; aerospace; application1.前言随着科技的发展和进步以及各国对空间光学遥感器的进一步需求，空间遥感器必然向高分辨率、长焦距、大口径、大视场、大体积而质量更轻的方向发展[1]，然而，发展质量更轻的空间光学遥感器，必须采用性能优异的轻质结构材料，碳纤维复合材料(CFRP)的使用是实现这一要求的最好途径之一。
CFRP是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料[2]碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加土性，是新一代军民两用的增强纤维。
它优异的综合性能是任何单一材料无法和其比拟的，现在己经成为先进复合材料的主要增强纤维之一。
CFRP是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，一经问世就显示了强大的生命力[3,4]。
聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料
c o m re
p o s it e m a t e r i a l s in fo r c e ： c o m p o s it e
一
l
碳 纤 维 是 由 有 机 纤维 经 过 系 列 的 热 处 理 转化 而 成 的 含 碳 量 在 9 0 ％ 以 上 的脆 性材 料 是 种 纤维状 的 碳材 料 作 为 种 新 型 材 料 碳 纤维 具 有低 密 度 高 比 强 度 高 比 模 量 耐 高 温 和 低 温 耐腐蚀 耐 疲 劳 抗 蠕 变 导 电 传 热 热 膨 胀 系数 小等 系 列 的 优 异 性 能 结 构 独特 集 众 多优 异性 能 于 身 它 既 可 以 作 为 结 构 材 料 的增 强 基 承 载 负荷 又 可 作 为 功 能 材 料 … 由 于 碳 纤 维 的 强 度 比 钢 大 相 对 密 度 比 铝 还 轻 并 且 具 有 上 述 电 学 热 学 和 力学 性 能 在 现 代 科 学技 术 现 代 工 业 和 现 代 国 防 的 发 展 中起 着 重 要 作 用 随着碳 纤 维产 量 的 提 高 碳 纤 维市场 的 扩 大 价格 不 断 降 低 民用 应 用 领 域 不 断扩 大 目前 碳 纤维 已 经 渗 透 到 高尔 夫球 杆 网 球 拍 滑 雪板 钓 鱼 竿 游 艇 赛 艇 汽 车 构 件 火 车 零 件 L2 J 石 油 化 工 等 多个领 域 被誉 为 2 l 世 纪 最 有 生 命力 的 新 型 材 料 碳 纤 维起 源 于 1 9 世 纪 6 0 年代 而 工 业 化 则起 步 于 2 0 世 纪 5 0 6 0 年代 是 应 宇航 工 业 对 耐烧 蚀和 轻 质 高 强 材料 的 迫 切 需求 而 发 展 起 来 的 19 世 纪 末 爱 迪 生 首先用 碳 丝 制作 了 自炽 灯 的灯 丝 1 9 5 9 年 日 本大 阪 工 业 试 验 所 的 近 藤 昭 男发 明 了 利 用 聚 丙 烯 腈 (P A N ) 纤维 制 造 碳 纤 维 的 新 方 法 这 工 艺 很快 受 到 重 视 并实 现 了通 用 型 P A N 基 碳 纤维 的 工 业 化 生 产 而 英 国 在 此 基 础 上 开 发 了 高性 能 的 P A N 基 碳 纤 维 的 生产 技 术 处 于 了 领 先 地 位 2 0 世 纪 7 0 年代 后 由 于 美 国航 天 工 业 的高 速 发 展 极 大 地 促 进 了聚 丙 烯 腈 基 碳 纤 维 的发 展 L2 】 目前 工 业 生 产 中 主 要 采 用 聚 丙 烯 腈 (P A N ) 纤维 沥 青 纤维 和 粘 【j j 其 中粘 胶 基 和 沥 青基 碳 纤 维用 途 胶 纤 维 为 原丝 来 生 产 碳 纤 维 产 量 也 较 为有 限 而 聚 丙 烯 腈 基 碳 纤维 生 产 工 艺 简 单 较单 产 品 力 学 及 高 温 性 能 优 异 具 有 良好 的 结 构 和 功 能特 性 因 而 发 展 较快 成 为 高性 能碳 纤 维 发 展 和 应 用 的最 主 要 和 占绝 对 地 位 的 品 种 主 要 用 于 高 性 能结 构 及 功 能 复 合 材 料 在航 天 航 空 兵 器 船 舶等 国防 领 域 具 有 不 可 替代 的作 用
一种聚丙烯腈碳纤维及其制备方法[发明专利]
![一种聚丙烯腈碳纤维及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/87be9ac6453610661fd9f480.png)
专利名称：一种聚丙烯腈碳纤维及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：刘剑洪,张黔玲,柴晓燕,何传新,徐坚申请号：CN201410511578.3
申请日：20140929
公开号：CN104233514A
公开日：
20141224
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种聚丙烯腈碳纤维及其制备方法，其中，制备方法包括：将聚丙烯腈原丝送入到120~150℃的加热炉中进行低温热处理得到低温热处理丝，处理时间为10~60天；B、将上述低温热处理丝送入到220~280℃的连续预氧化炉中进行连续预氧化热处理得到预氧化丝，处理时间为20~40min；C、将预氧化丝送入低温碳化炉中进行低温碳化热处理得到预氧化低温碳化丝，处理温度为350~650℃，处理时间为4~20min；D、将预氧化低温碳化丝进入高温碳化炉中进行高温碳化热处理得到聚丙烯腈碳纤维，处理温度为900~1300℃，时间为1~2min。
本发明的工艺简单，操作控制方便、安全，满足批量生产的要求。
申请人：刘剑洪
地址：518060 广东省深圳市南山区南海大道3688号
国籍：CN
代理机构：深圳市君胜知识产权代理事务所
更多信息请下载全文后查看。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2011年第7期广东化工第38卷总第219期 · 293 · 聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料柴晓燕，朱才镇，刘剑洪(深圳大学化学与化工学院，广东深圳 518060)[摘要]聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为一种高比强度和高比模量的增强型与功能型高性能纤维材料，在航空航天、国防军工及文体用品等方面都有广泛的应用。
文章主要介绍了聚丙烯腈基碳纤维的制备、结构与性能及其在复合材料中的应用。
[关键词]碳纤维；增强；复合材料[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2011)07-0293-03PAN-based Carbon Fibers And Reinforce Composite MaterialsChai Xiaoyan, Zhu Caizhen, Liu Jianhong(College of Chemistry and Chemical Engineering, ShenZhen University, Shenzhen 518060, China)Abstract: Polyacrylonitrile carbon fibers were widely used in many fields, such as aerospace, strategical missile, sports and leisure industries, because of which are the most crucial and imperative part of the reinforce of the composition. The paper mainly introduces the production, structure and property of PAN-based carbon fiber, and the applications in the composite materials.Keywords: carbon fibers；reinforce；composite material碳纤维是由有机纤维经过一系列的热处理转化而成的含碳量在90 %以上的脆性材料，是一种纤维状的碳材料。
作为一种新型材料，碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和低温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、热膨胀系数小等一系列的优异性能,结构独特，集众多优异性能于一身，它既可以作为结构材料的增强基承载负荷，又可作为功能材料[1]。
由于碳纤维的强度比钢大,相对密度比铝还轻，并且具有上述电学、热学和力学性能，在现代科学技术、现代工业和现代国防的发展中起着重要作用。
随着碳纤维产量的提高，碳纤维市场的扩大，价格不断降低，民用应用领域不断扩大。
目前碳纤维已经渗透到高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、游艇、赛艇、汽车构件、火车零件、石油、化工等多个领域，被誉为21世纪最有生命力的新型材料[2]。
碳纤维起源于19世纪60年代，而工业化则起步于20世纪50~60年代，是应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求而发展起来的。
l9世纪末，爱迪生首先用碳丝制作了白炽灯的灯丝，1959年，日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈(PAN)纤维制造碳纤维的新方法，这一工艺很快受到重视，并实现了通用型PAN基碳纤维的工业化生产。
而英国在此基础上开发了高性能的PAN基碳纤维的生产技术，处于了领先地位。
20世纪70年代后，由于美国航天工业的高速发展，极大地促进了聚丙烯腈基碳纤维的发展[2]。
目前工业生产中主要采用聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维和粘胶纤维为原丝来生产碳纤维[3]。
其中粘胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，而聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，产品力学及高温性能优异，具有良好的结构和功能特性，因而发展较快，成为高性能碳纤维发展和应用的最主要和占绝对地位的品种，主要用于高性能结构及功能复合材料，在航天,航空、兵器、船舶等国防领域具有不可替代的作用。
1 PAN基碳纤维1.1 PAN基碳纤维的制备工艺PAN基碳纤维的制备包括PAN原丝的纺丝、预氧化和碳化三大工艺过程。
优质的PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要条件。
原丝纺丝工艺有湿法、干法、干湿法和熔融法等[3-5]，其中干湿法和熔融法是新的发展趋势，而湿法工艺则相对较为成熟。
湿法成形的纤维纤度变化小、残留溶剂少，而且容易控制原丝质量，因而湿法纺丝仍是目前广泛应用的纺丝工艺。
PAN基碳纤维的制备工艺流程如图1所示。
PAN原丝的预氧化，又称热稳定化，一般在180~300 ℃的空气气氛中进行。
因为当温度低于180 ℃时反应速度很慢，耗时太长，生产效率过低；然而，当温度高于300 ℃时将发生剧烈的集中放热反应，导致纤维熔融断丝。
在预氧化过程中要对纤维施加适当牵伸以抑制收缩、维持大分子链对纤维轴向的取向。
预氧化的目的是使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性的耐热梯形结构，从而使纤维在碳化高温下不熔不燃，继续保持纤维形态[7-9]。
预氧化方法包括恒温预氧化、连续升温预氧化和梯度升温预氧化。
其中，前两种预氧化方法效率较低，目前主要用于实验室研究，而梯度升温预氧化则是当前工业化生产所普遍采用的。
预氧化温度及其分布梯度、预氧化时间、张力牵伸等是影响预氧化过程的主要工艺参数。
恰当的预氧化工艺可以在较短的时间内使纤维得到稳定化，为后期碳化提供均质的预氧丝；而不恰当的预氧化工艺则会造成原丝热稳定化的过度或不足，在高温碳化过程中纤维可能发生熔断或形成较多结构缺陷，严重影响最终碳纤维的性能。
预氧化过程在整个碳纤维制备流程中耗时最长，预氧化时间一般为60~120 min，碳化时间为几分钟到十几分钟，而石墨化时间则以秒计算。
可见，预氧化过程是决定碳纤维生产效率的主要环节。
碳化过程一般包括低温碳化和高温碳化两个阶段，低温碳化的温度一般为300~1000 ℃，高温碳化的温度为1100~1600 ℃。
碳化时需要采用高纯度氮气作为保护气体。
在碳化过程中，较小的梯形结构单元进一步进行缩聚，且伴随热解，向乱层石墨结构转化的同时，释放出许多小分子副产物。
非碳元素O、N、H逐步被脱除，C元素逐步富集，最终生成含碳量在90 %以上的碳纤维。
图1 PAN基碳纤维的制备工艺流程[6]Fig.1 The production of PAN-based carbon fiber1.2 聚丙烯腈基碳纤维的结构丙烯腈(AN)在一定的聚合条件下双键被打开，生成大分子链，同时放出反应热。
氰基中的氮原子电负性大于碳原子，使氰基中的碳原子与氮原子间的电子云偏向氮原子，氮原子呈负电性，碳原子呈正电性。
与氰基相连的主链上的碳原子与氰基中碳原子之间的电子云由于诱导作用的影响，偏向氰基碳原子，所以形成了很强的偶极矩。
同一条聚丙烯腈大分子链上的氰基极性相同，互相排斥，呈现出僵硬的刚性，按照一定角度排列形成了对称的圆棒体，如图2所示。
圆棒体的直径约为0.6 nm，长度约为10~100 nm。
几根至几十根圆棒平行排列形成了有序的结晶区，而杂乱堆砌的大分子链则形成非晶区，即无定形区如图3所示。
聚丙烯腈原丝的预氧化过程从无定形区开始，逐渐发展到结晶区。
纤维在预氧化初期是半融状态，丝束结构消失后呈块状的堆垛结构；预氧化中期，块状堆垛结构由束状向片状发散排列结构转变，并且在预氧化的后期趋于稳定。
碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、[收稿日期] 2011-06-10[作者简介] 柴晓燕(1985-)，女，浙江人，硕士，助教，主要研究方向为碳纤维的结构与性能。
广东化工2011年第7期· 294 · 第38卷总第219期大小和分布对碳纤维的性能影响较大。
碳纤维各层面间的间距约为3.39~3.42 Å，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。
图2 PAN分子链的无规螺旋结构[6]Fig.2 Random spiral structure of PAN fiber图3 PAN纤维的形态模型[10]Fig.3 Morphological model of PAN fiber图4 碳纤维的条带结构模型[11]Fig.4 Ribbon structure model of carbon fiber图5 碳纤维的微原纤结构模型[12]Fig.5 Microbibrils structure model of carbon fiber人们用XRD、小角X射线散射、红外光谱、XPS、扫描电镜、透射电镜、扫描探针显微镜等方法对PAN纤维、碳纤维的结构进行了各方面的研究，提出了多种碳纤维的结构模型。
Perret和Ruland提出了碳纤维的条带模型，如图4所示。
条带模型由平均宽度为5~7 nm、平均长度为几百纳米的带状石墨层组成，条带可以从一个区域进入另一个堆叠区，条带之间连续平行堆叠而存在针形的孔洞，孔洞长度大于条带的平均直线部分。
Diefendon等人提出了微原纤模型，如图5所示。
微原纤结构模型类似于条带模型，但是微原纤是基本的结构单元，由10~30个基本面构成微原纤，再由它堆叠成条带结构。
低模量碳纤维,条带厚度为13层平面(平均值)，宽度为4 nm；高模量碳纤维厚度约为30层，宽为9 nm。
高强型碳纤维的褶皱显著而对于高模碳纤维褶皱则较小。
1.3 聚丙烯腈基碳纤维的性能碳纤维通常在360 ℃以下使用，如果在空气中使用的温度过高，就会发生明显的氧化，氧化产物CO2、CO从纤维表面散失。
但在隔绝氧的情况下，使用温度可大大提高到1500~2000 ℃，而且温度越高强度越大。
碳纤维有以下优良特性：(1)具有高比强度(抗拉强度/密度)、高比模量(弹性模量/密度)，日本东丽公司生产的聚丙烯腈基碳纤维T300的强度已提高到3.56 GPa，T1000的抗拉强度达到8.05 GPa，而传统的金属纤维的强度为2.56`3.97 cN/dtex；(2)比重轻、密度小，PAN基碳纤维在1000 ℃处理后密度为1.7 g/cm3，经2300℃以上温度处理，密度一般为2.0~2.1 g/cm3，而玻璃纤维的密度为2.55 g/cm3，金属钢纤维的密度高达7.80 g/cm3；(3)质量比热导率高，热膨胀系数小，一般PAN基碳纤维的热膨胀系数都小于金属材料，碳纤维的这一性质是金属无可比拟的；(4)耐磨擦、耐疲劳、耐高温和低温、抗蠕变、减振吸能等一些列物理机械性能优异；(5)耐酸、碱和盐腐蚀，能够形成多孔、吸附性强的活性碳纤维；(6)导电性好、具有良好的X射线透过性及电磁波遮蔽性；(7)具有自润滑性，熔融金属中不沾润，可以降低复合材料的磨损率；(8)生物相容性好，生理适应性强。