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碳纤维的研究生产是科技发展进程中的重要项目,在国防、军事、民用以及商业等领域应用越来越广,不断受到世界各国和组织的重视。碳纤维具有良好的机械性能,化学性能和高温惰性,抗蠕变、耐腐蚀,而且热膨胀系数小、尺寸稳定性好、比强度和比模量高,是一种理想的功能材料和结构材料。然而,碳纤维内部有很多缺陷,实际强度和模量与理论值相差甚远,力学性能也受晶体结构、孔洞结构、表面结构和皮芯结构等缺陷影响较大。聚丙烯腈（PAN）是制造碳纤维最常用的原料之一,原丝经预氧化、碳化和石墨化等过程转变成碳丝,其中预氧化过程是承上启下的关键过程,温度、牵伸和时间等因素直接影响所得预氧丝的质量和性能,也间接影响着最后碳丝的质量和性能。本文针对预氧丝的孔洞结构缺陷,首次利用X射线小角散射（SAXS）表征方法进行研究。通过不同预氧化条件,研究了内部晶体结构和表面结构之间的相互影响。基于这些研究,本文还设计了一种新型预氧化装置,既可以改善预氧丝的皮芯现象,又能够提高预氧化的整体效率。此外,在生产预氧丝或碳纤维时,会产生一定的淘汰品,为了将这些淘汰品进行绿色回收,我们尝试将成品预氧丝粉末和碳丝粉末做成锂离子电池负极活性材料,进行恒流充放电测试对比,为下一步的科研工作提供了参考。本文全部成果总结如下:1、预氧化过程主要发生氧化反应、环化反应和脱氢反应,原丝中的热塑性PAN线形大分子链逐渐转化为非塑性耐热的中间环状结构。为了系统地研究这一变化过程,我们在不同预氧化温度下加热处理了PAN基原丝,共得到180-280℃温度区间八个预氧丝样品,通过X射线衍射（XRD）,傅立叶变换红外光谱（FTIR）,X射线光电子能谱（XPS）和差示扫描分析（DSC）等手段进行了结构分析和性能表征,最终发现了环化反应、脱氢反应和氧化反应所对应的剧烈反应温度区间。2、通过X射线小角散射（SAXS）表征不同温度下所获得预氧丝的内部微孔尺寸、形态以及分布特征等,我们根据小角散射理论拟合出了四种级别的微孔,其轴比、体积分数和分形维数与温度变化相联系,不同级别的微孔对不同化学反应的敏感度也不同。此外,通过机械拉伸性能测试结果得知,影响纤维力学性能最大的是纤维内部存在的少数大微孔（如尺寸2π到10πnm2）,而数量最多,形状和分布随预氧化温度规律变化的小微孔（如尺寸在超过300πnm2）对力学性能的影响居于次要地位。3、本文的实验结果表明,200℃,220℃,250℃和280℃这四个温度点是预氧化过程的关键温度点,为了研究这四个温度点对预氧丝表面结构的影响,我们增加了四个对比样品,并利用固体C核磁振动(13C{1H}CP/MAS NMR)、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和扫描电镜（SEM）等手段进行表征。在分析讨论的过程中,我们还尝试给出了标准预氧丝的表面结构化学式。4、为了缓解预氧化过程中经常出现的“皮芯”现象,我们对传统预氧化装置进行了改进,采用配备有容砂漏斗的可移动微波加热炉,对滴液过双氧水的PAN原丝进行预氧化加热处理,XRD、XPS和SEM测试结果表明,所得预氧丝的皮芯结构显著减少。此外,该装置还解决了预氧化过程的副反应热问题,避免了浸泡、反复拿取等操作对原丝表面的二次伤害,节省了预氧化的整体时间,提高了预氧丝的生产效率。