在200～300℃的温度条件下,通过长达2小时的热处理和拉抻处理,使PAN分子由氧铰链结构变为十分稳定的阶梯状苯环结构,以保证其在后续加热过程中不至于熔融或燃烧。

　　此阶段的化学变化将放出大量热量,若加热太快,累积的热量不能及时散出，往往会出现局部过热,导致纤维烧断。同时温度太高,PAN分解的速度快于氧化扩散进入纤维内部的速度,则会产生预氧化不完全的皮芯结构,致使碳化后的碳纤维呈现中空化。

　　为了保证碳纤维性能的优良，原丝应具备高纯度、高强度和高取向度、细旦化等性能。

　　高纯度：原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。为达到高纯度这一目的，可从以下几方面采取措施：原料的精密过滤；充分洗涤；无尘纺丝。

　　细旦化：原，丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维的主要技术途径之一。

　　限制纤维收缩，使环状结构在较高温度下择优取向（相对纤维轴），可显著提高CF的模量。

　　未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发生脱氢反应，形成以下结构：

　　氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成－OH，－COOH，－C＝O等，也可生成环氧基。

　　碳纤维的生产制造过程基本相仿,主要有预氧化(即稳定化)、低温碳化、高温碳化(又称石墨化)、表面处理、上浆和干燥等六大工艺步骤,其生产工艺流程见下图：

　　粘胶纤维由于具有环状分子结构，所以可以直接进行碳化或石墨化处理，加热不会熔融，不需予氧化处理进行环化。

　　通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体原丝一预氧化丝一碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。

　　干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条。纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段)后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程；再经导向辊、离浴辊引m的丝条经后处理得到P A N纤维。

　　结晶碳含量不断提高，可达99％以上；纤维结构不断完善。CF的乱层石墨结构转化为GrF的类似石墨的层状结晶结构。

　　除天然沥青外，一般将有机化合物在隔绝空气或在情性气体中热处理，在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时，残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于70％，平均分子量在200以上，化学组成及结构千变万化，它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。

　　缺点：粘胶中含有大量的H、O原子，所以碳化理论收率仅55%，实际收率约20～30%；粘胶基CF强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。

　　用微波对预氧化纤维进行碳化是在电磁场中吸收电磁波的能量并转化为热量，电磁场的递质加热后过渡到富集碳原子，再直接对纤维加热。由于电磁波传播的方向与走丝方向相反，使得碳化过程从低温区移向高温区。另外，走丝速度很快，每束纤维都用1个走丝单元，这样，走丝速度和牵伸力就能分别控制，实现动态即时调节。电磁波对纤维有很强的穿透作用，电磁波能瞬时作用在纤维整个截面的表里，避免了所谓的“皮芯”现象．

　　4）改变预氧化气氛(如空气中加入SO2等)可促进预氧化反应的进行，缩短预氧化时间。

　　1）如果纤维充分氧化，预氧化丝中的氧含量可达16～23％，一般控制在6～12％。

　　使线型分子链转化成耐热梯形六元环结构，以使PAN纤维在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量的CF。

　　①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；

　　在众多的共聚单体中，不饱和羧酸类：如甲基丙烯酸、丙烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等占有重要位置。

　　目的：对纤维表面进行氧化或涂覆处理,以增加纤维的润湿性、抗氧化性,以及与基材的粘着性。

　　表面处理的方法主要有电化学法、热气氧化法和气体沉淀法等,其中较常用的为电化学法,处理装置包括电解槽和水洗槽两部分。纤维在以罗拉（罗拉，纺织机械中起喂给、牵伸、输出等作用的圆柱形回转零件，是英语词“roller”的音译，有辊和轴的含义）为阴极和与之平行的石墨板为阳极的电解槽中使表面得到氧化,然后在水洗槽中用软水除去纤维上的电解质。

　　3）240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出H2O、CO、CO2等气体

　　在整个处理过程中，为使CF性能优良，产率高，所以要求加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。

　　碳化碳纤维在牵伸状态下加热到2400~ 2600℃，碳体积分数达0.99以上，纤维的乱层结构变为三维有序的结构，模量大幅提高成为高模量碳纤维，此过程亦称石墨化。因射频的波长比微波长，采用射频感应加热法能够使电磁波对纤维有足够的作用时间，容易控制。经过射频法石墨化的碳纤维消除了“皮芯”结构具有热效率高、纤维的离散系数小等优点。

　　3）高于12％，大量被结合的氧会在碳化过程中以CO2、CO、H2O等逸出，导致纤维密度、收率、强度下降。

　　碳化过程在400~1900℃的惰性气氛中进行。惰性气体一般采用高纯氮气。

　　不仅使纤维的取向度得到提高，而且使纤维致密化并避免大量孔隙的产生，可制得结构较均匀的高性能碳纤维。

　　PAN原丝预氧化是一个氧化、脱氢、脱氮和环化的过程，达到碳元素富集和纤维定型目的。由于等离子体的活性远比分子和中性原子大，在离子状态下能够实现氧化，所以在生产过程中把工频电能通过射频发生器转化成射频电磁场能量，再将石英容器的气体抽成负压，在射频电磁场的激发下，使之电离形成等离子体。由于在常温下就能获得带电的氧离子，因此，可以在远低于350℃的条件下完成高温状态下的化学过程。大动能离子对PAN的分子结构有破坏性需滤除，留下弱离子即软等离子，它们在有机物分子链空间的渗透能力非常强，可缓解“皮芯”现象。加工过程中还采用了射频极化法，能够里外同时进行化学反应，有效地减轻了氧化过程中的表里不一状况。

　　离开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层(干段再进入凝固浴，干段很短，但对凝固相分离和成纤结构有着重大影响。在空气层挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发，表面形成了薄薄致密层，细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度；由于在喷丝板出口处产生膨胀效应，靠细流自身的重力以及牵伸力向下流动，然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大部分被牵伸变细后进入凝固浴；凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固，低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差，加速扩散；低温可抑制扩散速度，利于沉淀结构致密化、均质化，最终纺出的原丝和所制碳纤维表面较平滑而无沟槽。与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。

　　通常采用湿法纺丝，而不用干法纺丝。这是因为干纺生产的纤维中溶剂不易洗净。在预氧化及碳化过程将会由于残留溶剂的挥发或分解而造成纤维粘连及产生缺陷。

　　主要是引起纤维石墨化晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。

　　整个碳化过程分为低温碳化和高温碳化(石墨化)二个阶段,均在充满惰性气体一氮气的碳化炉中进行。经过预氧化的纤维进入低温碳化炉,在800～1000℃的温度条件下碳化热解,继而在高温碳化炉中,再通过1000～2000℃的温度梯度进一步碳化,并完成晶核石墨化的处理。

　　在该过程中,非碳元素N、H、O、S等被逐步从阶梯状的聚合物上除去,苯环凝聚成石墨状的多晶相结构。经过这种高温裂解的碳化处理过程后,就完成了碳纤维的主要生产工艺步骤。

　　PAN原丝经过预氧化(200～350℃，射频负压软等离子法)、碳化(800～1200℃，微波加热法)到石墨化(2400~ 2600℃，射频加热法)，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构一乱层的石墨结构一三维有序的石墨结构。

　　国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。

　　碳纤维的生产制造过程基本相仿,主要有预氧化(即稳定化)、低温碳化、高温碳化(又称石墨化)、表面处理、上浆和干燥等六大工艺步骤。现以应用最广的聚丙烯晴基碳纤维为例,简要介绍碳纤维的制造工艺过程。

　　强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高。

　　碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。

　　在碳化过程中，纤维中非C原子（如N、H、O）被大量除去，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，形成了CF。碳化后含碳率达95%左右，碳化产率约40～45%。

　　非碳元素的各种气体(如CO2、CO、H2O、NH3、H2、HCN、N2)的瞬间排除。如不及时排除，将造成纤维表面缺陷，甚至断裂。