聚丙烯腈(PAN)原丝在热稳定化过程中由于时温效应的作用发生化学反应,使得大分子链状结构转变为耐热的环状梯形结构,从而制得的碳纤维所含缺陷结构减少。PAN稳定化纤维在碳化过程中,环状结构上原有的双键打开,分子间发生交联反应,生成类石墨结构。影响碳纤维缺陷结构存在的主要因素是PAN纤维结构在热稳定化过程中的环化率,含碳结构发生化学反应所生成的sp2杂化共轭结构,是最终碳纤维六元环平面的有效基础结构,所以环化率与PAN原丝在热稳定化过程中生成的sp2杂化共轭结构含量具有正相关性。综上可知:探究时温效应对PAN纤维在热稳定化过程中sp2杂化共轭结构的形成与演变,对制得性能良好的碳纤维具有重要意义。本文通过显微共焦拉曼光谱(Raman)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和13C-固体核磁碳谱(13C-NMR)等方法表征了热稳定化阶段PAN纤维sp2杂化共轭结构的形成与演变,其中:Raman光谱表征的是sp2杂化结构形成与演变的过程;UV-vis吸收光谱表征的是共轭环结构的大小;13C-NMR表征的是含sp2杂化C原子的结构含量。研究结果表明:(1)当热稳定化时间恒定时,受到温度效应作用,PAN纤维中sp2杂化结构的共轭程度随热稳定化温度的升高呈“线性”趋势增长;包含SP2杂化C原子的结构含量随热稳定化温度的升高呈“S型”增长趋势。其中,当热处理温度在180～230℃时,随着热稳定化温度的升高,PAN纤维所形成的sp2杂化共轭环结构由一个单环外加两个双键的交联结构转化为三环共轭结构,双环外加两个双键的结构部分转化为三环共轭结构;当热处理温度在240～280℃时,之前在低温区间生成的两环共轭结构发生裂解和转变,形成一个单环外加一个双键的结构和两环外加一个双键的结构;同时三环共轭结构发生裂解和转变,形成两环外加一个双键的结构,以及三环外加一个双键的结构。(2)当热稳定化温度恒定时,PAN纤维受时间效应影响,使得sp2杂化结构的共轭程度随热稳定化时间的延长先快速增加,当时间达到一定值时,sp2杂化结构的共轭程度增长速率变缓,并逐渐趋于稳定。(3)热稳定化时间的延长,PAN稳定化纤维所生成的共轭环结构数量有所增加,而其共轭结构的大小未发生变化,所以时间效应对共轭环结构的大小的作用不明显;共轭环结构的大小主要取决于温度效应,其中在低温区(180～230℃)作用明显。