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高强度碳纤维皮芯结构差异小,高强高模碳纤维皮芯结构差异大。碳纤维结构沿径向呈梯度分布,研究碳纤维高温热处理过程中径向化学结构的演变规律及其机理,尤其是时间效应和张力效应的影响,对碳纤维的高温结构转变和高模量碳纤维的制备有深刻的指导意义。本论文以T300和GCF1碳纤维为主要研究对象,对其进行1500℃-2500℃的高温热处理,利用元素分析仪、Raman、XRD、HRTEM、SEM等系统的研究了碳纤维径向化学结构的高温演变规律,并分析对比了不同初始成分结构碳纤维径向化学结构高温演变规律的差异,同时揭示了碳纤维径向结构与其力学性能的关联性。研究结果表明：在热处理过程中,由于传热与扩散不均匀,碳纤维的化学结构、聚集态结构和显微结构都存在皮芯差异,随着热处理温度升高,皮芯结构差异加剧。纤维化学结构沿纤维径向梯度分布,在热处理过程中,碳纤维内部石墨微晶尺寸增长呈现一个高温驱动的自组装过程,热处理温度在1900℃以下时,N原子逐渐脱除,纤维结构变化较为复杂,由于N原子脱除消耗能量阻碍石墨微晶的增长,纤维径向结构差异小；当热处理温度在1900℃以上时,N原子快速脱除给纤维内部带来缺陷,阻碍芯部石墨C网面的长大,芯部R值减小缓慢,径向化学结构差异逐渐增大。在1500℃处理时,延长热处理时间,纤维径向化学结构差异减小,而2100℃时,径向化学结构差异增大。2500℃下随着张力的增大,张力作用有利于纤维微晶的塑性形变与结构重排,纤维的直径逐渐减小,纤维芯部R值逐渐减小,纤维皮芯石墨化度差异减小,径向差异也减小。由于GCF1碳纤维初始径向化学结构差异较T300大,1900℃以下处理时, GCF1碳纤维径向结构差异大,而T300径向差异小；当热处理温度超过1900℃时,T300和GCF1碳纤维径向结构的演变规律相似；在1500℃处理时,延长热处理时间,由于T300碳纤维N脱除速度快,其径向石墨化度差异快速缩小；2100℃时,延长热处理时间,T300径向差异较大,这是由于其含N量高。碳纤维径向结构与纤维力学性能有着密切的关联性,当碳纤维径向差异小时,纤维强度下降幅度小,模量升高幅度也小；随着径向结构差异加剧,纤维的强度急剧下降,模量大幅度升高。