聚丙烯腈纖維的取向結(jié)構是影響纖維力學性能的關鍵因素。在碳纖維制備過程中，聚丙烯腈纖維高分子鏈取向結(jié)構經(jīng)歷熱穩(wěn)定化過程，發(fā)生復雜的物理和化學變化，影響進一步碳化過程生成的石墨微晶結(jié)構，從而對終極碳纖維性能產(chǎn)生影響。聚丙烯腈(PAN)纖維取向結(jié)構在熱穩(wěn)定化過程中的演變規(guī)律及取向結(jié)構對熱穩(wěn)定化反應程度及反應生成結(jié)構的影響進行了研究分析，揭示了取向結(jié)構影響熱穩(wěn)定化反應的機理及影響特點；并通過外力場牽伸改變?nèi)∠蚪Y(jié)構，研究該過程對熱穩(wěn)定化反應及生成碳纖維結(jié)構和性能的影響，揭示了牽伸誘導取向?qū)岱€(wěn)定化特征結(jié)構及碳纖維性能的影響關系，為高性能碳纖維的結(jié)構可控性制備提供了機理依據(jù)。

聚丙烯腈(PAN)纖維取向結(jié)構在熱穩(wěn)定化過程中的演變規(guī)律主要受到分子鏈側(cè)氰基環(huán)化反應的影響。發(fā)生在非晶區(qū)的環(huán)化反應促進體系內(nèi)應力增加，能夠誘導晶區(qū)分子鏈進一步取向重排，導致晶區(qū)取向度增大；相應的，環(huán)化應力還能誘導近晶區(qū)分子鏈段規(guī)整重排形成晶區(qū)，導致結(jié)晶度和晶粒尺寸小幅增大。時溫效應對環(huán)化反應影響顯著，導致不同時間溫度環(huán)化應力誘導PAN纖維聚集態(tài)結(jié)構變化存在差異：熱處理180℃時，環(huán)化反應程度較低，環(huán)化應力誘導結(jié)晶和晶區(qū)取向現(xiàn)象不明顯；200℃熱處理30min后，隨著環(huán)化反應程度提高向現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)；220℃熱處理初期，劇烈的環(huán)化反應使得應力 誘導結(jié)晶和晶區(qū)取向現(xiàn)象更加明顯，影響PAN纖維結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶區(qū)取向度短時間內(nèi)迅速增長，但隨著熱處理時間延長，晶區(qū)分子鏈逐漸參與環(huán)化反應，原有晶態(tài)規(guī)整結(jié)構被破壞，導致 220℃熱處理 30min后，晶態(tài)結(jié)構參數(shù)逐漸減??；240℃熱處理時，纖維非晶區(qū)和晶區(qū)分子鏈短時間內(nèi)迅速參與環(huán)化反應，結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶區(qū)取向度均顯著降低?？諝鈿夥諢岱€(wěn)定化反應中，由于環(huán)境介質(zhì)氧對環(huán)化反應有催化作用，顯著縮短了環(huán)化反應誘導期，導致PAN纖維晶態(tài)結(jié)構和取向結(jié)構演變特征溫度向低溫方向推移。PAN纖維取向結(jié)構影響熱穩(wěn)定化反應放熱行為，熱穩(wěn)定化反應初期，纖維取向結(jié)構對反應有抑制作用，取向度較大的纖維，初始熱穩(wěn)定化反應放熱量相對較低；隨熱處理溫度升高，取向分子鏈逐漸參與化學反應，取向結(jié)構對反應的抑制作用不斷減弱；熱穩(wěn)定化反應中后期，取向結(jié)構越規(guī)整的纖維，熱穩(wěn)定化反應放熱相對更加劇烈。

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