优质的聚丙烯腈（PAN）原丝是制备高性能碳纤维的必要条件。研究PAN原丝的结构，掌握原丝结构与性能之间的关系，对改善和提高PAN基碳纤维的性能有重要意义。本文采用乌氏粘度计（UDV）、核磁共振仪（NMR）、广角X射线衍射（WAXD）、偏光显微镜（PM）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、电子探针（EPMA）、差示扫描量热仪（DSC）及热重分析仪（TG）等测试技术，分别对PAN原丝的分子链结构、凝聚态结构、形态结构、力学性能以及热性能等，作了较系统的研究。PAN原丝分子量大小与其力学性能的测试结果表明，PAN原丝的分子量对原丝的强度有一定的影响，分子量在15万以下时，随着分子量的增加原丝强度增大，达到15万以后，原丝强度维持在7.0cN/dtex左右；而分子量对原丝的断裂伸长率影响不明显，当原丝分子量在13.5～16.5万范围内，PAN原丝的断裂伸长率在9.5～11.5％范围内波动。这主要因为PAN原丝强度受分子链末端效应的影响，分子量越小，链末端越多，越容易产生相对滑移，降低原丝强度；而增加分子量，则相应减少了链末端，增加了分子链间的摩擦力，提高了PAN原丝强度。而原丝的断裂伸长率主要受分子链所处状态的影响，对于热处理充分的，分子链或链段处于卷曲状态，其断裂伸长率较大，反之亦然。通过¹³C NMR图谱得到了PAN原丝分子链立体构型单元的分布情况，发现实验室自制原丝、日本产原丝及吉化产原丝的三单元立构序列分布都符合伯努利几率分布，均是无规立构聚合物；其中，实验室自制原丝的规整度最高，这三种PAN原丝的溶解性实验也得到了同样的结果。在纺丝过程中PAN原丝的结晶度和取向度都不断增加。原丝中的微晶起到物理交联的作用，所以原丝结晶度越大，物理交联越多，原丝的强度、初始模量、断裂功都随之增加；利用原丝在光学异性上表现出的双折射性，测定纤维分子链或链段的总取向，PAN原丝的双折射率绝对值越大，其总取向度越高，晶区间连接链长度差异越小，每个连接链所受张力差异也越小，这时原丝的强度增加，断裂伸长率减小。采用TEM、SEM和EPMA观察了PAN原丝内部组织形态和表面形态。发现PAN原丝内部是由平行于纤维轴、直径约为250～400nm的原纤组成，在原纤与原纤之间有非晶夹层存在，原纤内部相间分布着层状微结晶区和非晶区，层状结构与纤维轴垂直或呈一定角度分布。原纤的形成机理尚不清楚，还有待于进一步研究。原丝的皮层比芯部的结构致密、晶粒尺寸小，造成了原丝皮层强度大于芯部强度。原丝表面的凸痕是原纤在表面的显露，平行于轴向的原纤对原丝的强度有一定的贡献。原丝内部存在孔洞等缺陷，这些缺陷是降低原丝强度的重要原因。PAN原丝的力学性能与原丝的结构特征相对应，强度高、模量高的原丝其结晶度和分子取向程度均较高；随拉伸形变速率的增加，应力-应变曲线变陡峭，形变模量增大，断裂伸长率降低，强度先增大后减小。相对钩接强度与原丝的断裂伸长率呈正比。原丝的热性能与其结构关系密切，PAN原丝的结晶度和规整度越高，氧扩散越慢，其热失重的起始温度越高；原丝的共聚单体及配比影响原丝DSC曲线的形状、放热量及放热速率；规整性差、含有吸水性共聚单体的原丝，其沸水收缩率大于干热收缩率，反之，则干热收缩率较大。沸水热处理实验还证明了PAN原丝中的非晶区包括相对有序区和无序区，经沸水热处理后原丝非晶区有序程度下降。