碳纤维的机械性能是由其结构决定的。目前,碳纤维的强度和模量远远低于其理论值。因此,认清高性能碳纤维的结构特征,掌握碳纤维结构对性能的影响机理,对提高碳纤维的性能具有重要的指导意义。本论文利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、元素分析、扫描电镜(SEM)等表征手段,分别从聚集态结构,化学结构和形貌三个方面对几种高性能PAN基碳纤维的微观结构进行了研究,揭示了不同性能碳纤维微观结构的差异,并初步讨论了微观结构对碳纤维机械性能的影响机理。最后,对国产碳纤维的机械性能进行了预测及验证。研究结果表明:1.高强系列碳纤维晶面间距相对较大,高强高模系列碳纤维晶面间距相对较小;高强系列碳纤维晶粒尺寸相对较小,高强高模系列晶粒尺寸相对较大;高强低模碳纤维取向度最低,高强中模碳纤维居中,高强高模碳纤维最高。2.碳纤维的石墨碳含量越高,其模量越高。取向度越高,碳纤维模量越高。晶粒尺寸在比较小时对碳纤维模量影响不明显,增大到一定程度后,随着尺寸的增大,碳纤维模量明显提高。3.碳纤维的微晶是由数层石墨片层组成的。其中,T300和T700的微晶包含5层石墨片层,T800和T1000包含6层,M40J包含10层,M55J包含17层,M60J包含20层。