一、聚丙烯腈原絲的預氧化工藝

        從PAN原絲制造碳纖維第一步是大分子腈側基的環(huán)化。PAN原絲在預氧化爐處理，介質(zhì)為空氣中，溫度為200~300℃。通過(guò)預氧化，PAN大分子鏈轉化為環(huán)形梯狀結構，使其在高溫炭化時(shí)不熔，不燃，保持纖維的形態(tài)。預氧化時(shí)加一定的張力于PAN原絲上。預氧化反應所需的時(shí)間是纖維直徑的函數，直徑越大，所需時(shí)間就越長(cháng)。預氧化過(guò)程中，產(chǎn)生一系列復雜的化學(xué)反應，纖維顏色由白經(jīng)黃色、棕色，再轉變?yōu)楹谏?，主要反應有以下幾種。

(1) 環(huán)化反應:

(2) 脫氫反應:

(3) 氧化反應：預氧化反應在空氣中進(jìn)行，氧可直接被結合到纖維結構中去，生成羥基、羧基等基團，也生成環(huán)氧型結構。

        預氧化工藝條件和設備設計應滿(mǎn)足PAN原絲的上述化學(xué)反應和結構轉變，對環(huán)化放熱反應應有良好的溫度控制和空氣風(fēng)量、風(fēng)溫的測試。氧化反應受擴散作用制約，為了得到優(yōu)質(zhì)的碳纖維，應確保PAN原絲有時(shí)間達到要求的預氧化程度和均勻性。預氧化工藝是一個(gè)使線(xiàn)型PAN大分子鏈轉化為耐熱梯形結構的預氧化絲的復雜過(guò)程，它受多種因素的影響，諸如原絲結構、預氧化溫度、時(shí)間、升溫速度、預加張力等。

二、預氧化絲的碳化工藝

        預氧化絲在氮氣保護下進(jìn)入炭化爐，爐內溫度800~1500℃，纖維產(chǎn)生炭化反應。梯形大分子發(fā)生交聯(lián)，轉變?yōu)槌憝h(huán)狀結構。纖維中碳的含量從60%左右提高至92%以上，形成梯形六元環(huán)連接的亂層狀石墨片結構。

        炭化過(guò)程中，在溫度較低時(shí)，大分子結構中的氫以H₂0、NH₃、HCN和CH₄的形式從纖維中分離出來(lái)，氮主要以HCN、NH₃的形式分離。在高溫時(shí)，除了氫、氮以上述形式分離外，還以分子態(tài)氫和氮的形式分離，同時(shí)氧也以H₂0、CO₂和CO的形式分離，這些熱解產(chǎn)物的瞬間排除是炭化工藝的技術(shù)關(guān)鍵。炭化爐的設計和工藝要使分解產(chǎn)物順利排出，否則會(huì )造成纖維表面缺陷，影響碳纖維的質(zhì)量。和預氧化一樣，纖維炭化時(shí)也會(huì )有物理和化學(xué)的收縮，所以也對纖維施加適量的張力進(jìn)行拉伸，以提高大分子主鏈方向的擇優(yōu)取向。預氧化絲的炭化一般要通過(guò)低溫炭化爐在300~800℃溫度下進(jìn)行，再經(jīng)高溫炭化爐處理，通過(guò)1000~1600℃的溫度遞增達到大分子結構的轉型。

        為了獲得更高模量的碳纖維，可將碳纖維再經(jīng)過(guò)接近3000℃的高溫熱處理，也稱(chēng)石墨化處理，使纖維的含碳量增加至99%以上，以改進(jìn)纖維的結晶在大分子軸向的有序和定向排列。石墨化工藝要絕對隔斷氧氣，爐子中氣體只能選擇氬氣或氦氣，不用氮氣，因為氮在2000℃以上會(huì )與碳反應生成氰hua物（—CN）。

三、碳纖維的后處理

        碳纖維主要作為纖維增強材料應用，碳纖維增強樹(shù)脂的強度取決于該纖維與基體樹(shù)脂之間的黏合力，所以碳纖維需要經(jīng)過(guò)表面處理，以改善纖維表面形態(tài)，增加表面活性，加強與基體樹(shù)脂界面的復合性能，提高復合材料的層間剪切強度。

        碳纖維的表面處理方法很多，有表面氧化法(如陽(yáng)極電解氧化法、臭氧氧化法和等離子氧化法)、表面涂層法(如清洗與涂層、氧化與涂層)、表面化學(xué)法(如次氯酸鈉、硝酸等溶液處理)，還有一些其他方法。雖然表面處理的作用機理還不十分清楚，但處理后在碳纖維表面產(chǎn)生了活性點(diǎn)，較好地改善了纖維與基體樹(shù)脂的黏合力。經(jīng)表面處理的碳纖維與樹(shù)脂復合，其層間剪切強度可提高至80~120MPa，未經(jīng)表面處理，其復合材料層間剪切強度只有50~60MPa，達不到使用的要求。

        經(jīng)表面處理后的碳纖維還要上漿處理，用改性環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)的溶液作為上漿劑，避免碳纖維在后道加工中起毛而損傷。