严 华 吕春祥 常春报 刘纳新 雷爱民

（1 山西钢科碳材料有限公司，太原 030100）

（2 中国科学院山西煤炭化学研究所，碳纤维制备技术国家工程实验室，太原 030001）

0 引言

碳纤维具有高比强度、高比模量、低热胀系数和低密度等优异性能，广泛应用于汽车、飞机、风能叶片等产品［1-3］。其中，聚丙烯腈纤维热解速率快和碳收率高，其氧化和碳化生产所得碳纤维占据绝大部分比例［4］。聚丙烯腈纤维氧化过程是碳纤维生产过程中最耗能也是最重要的中间过程。聚丙烯腈纤维氧化过程发生环化、脱氢和氧化反应，整体表现为一个放热反应。经过氧化反应，聚丙烯腈纤维的线性分子结构转化为不熔、耐热的梯形结构，从而显著影响碳纤维的最终力学性能［5］。

事实上，研究人员把氧化聚丙烯腈纤维径向物理或化学结构上的差异称为径向异质或皮芯结构［6-7］。关于氧化聚丙烯腈纤维径向异质发育成因，主要有三种理论：氧含量径向梯度分布、环化反应程度径向梯度分布、聚丙烯腈纤维纺丝过程径向异质结构形成［5］。瓦特［8］使用含酸性官能团和不含酸性官能团的两种纤维，在真空和空气气氛中分别进行热处理，结果表明经真空和空气处理的两种聚丙烯腈纤维呈典型的径向异质结构。因此，形成聚丙烯腈环化结构是氧化反应前提条件，纤维皮层环化结构的进一步氧化形成了致密氧化层，阻碍了氧向纤维芯部扩散，从而形成氧化聚丙烯腈纤维径向异质结构。进一步研究［9-10］表明，氧化聚丙烯腈纤维氧含量从皮层至芯部依次降低，即氧含量沿径向呈梯度分布。……