碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等一系列优异的性能，目前已被广泛的应用在各个领域。聚丙烯腈纤维(PAN fiber)是一种最适宜和广泛应用的用于制造高性能碳纤维的原丝之一。我国与国外的聚丙烯腈碳纤维的差距还很大，主要是因为原丝的质量还不过关，阻碍了我国高性能碳纤维的发展。目前，聚丙烯腈碳纤维原丝主要采用湿法和干湿法的方法获得，但湿法制备原丝的大孔和干湿法制备原丝的皮芯结构，都不利于后期预氧化过程中氧的扩散，从而影响到碳纤维的性能。新型凝胶纺丝法在理论上可望解决上述问题，初步实验也证明凝胶纺丝法可以显著的减小原丝的孔洞和消除皮芯结构，但目前为止对凝胶纺丝用的聚丙烯腈溶液及其内在结构的演变过程尚缺乏系统的研究。加强有关凝胶纺丝方面研究，可望为我国高性能碳纤维的制备提供一条新途径。　　 本论文首先通过碳纤维，特别是聚丙烯腈基碳纤维的发展情况的分析，明确了影响碳纤维性能的主导因素。并针对性地结合高性能聚丙烯腈原丝的要求及凝胶纺丝法所对应的纤维的成形机理，着重开展了凝胶纺丝用的聚丙烯腈溶液及其凝胶化过程的研究，获得的主要成果和结论如下：　　 研究了三元聚丙烯腈溶液的热力学性质，提出凝胶纺丝实现的可能途径。通过理论计算获得了聚丙烯腈/二甲基亚砜/水体系的三元相图，并通过实验的方法获得了浊点曲线，验证了理论计算的可行性。通过对三元相图进行定性分析，我们首次提出了一种可以获得无皮芯结构且具有弥散状微孔原丝的新型纺丝方法，即凝胶纺丝，并由此推断出凝胶纺丝实现的途径。在聚丙烯腈溶液中加入非溶剂并且采用冷冻装置降低空气层的温度，促使聚丙烯腈溶液快速热致相变凝胶化为凝胶纤维。这种热致相变凝胶纺丝的新观点还未见报道。对三元聚丙烯腈溶液热力学性质的研究为新型凝胶纺丝方法的实现提供了理论依据。　　 对三元聚丙烯腈溶液凝胶化过程进行了研究，三元聚丙烯腈溶液凝胶化过程中的动态粘弹行为强烈的依赖其组成和温度。为了提高聚丙烯腈溶液的浓度，我们采用常规分子量的聚丙烯腈进行动态粘弹行为研究，而这种常规分子量的聚合体进行凝胶纺丝还未见报道。我们采用两种方法获得了该体系的凝胶点。一种是采用温度扫描实验中储能模量和损耗模量相等的点作为凝胶点，另一种是采用频率扫描实验中无频率依赖性的损耗角正切作为凝胶点。聚丙烯腈纺丝溶液的凝胶点随着聚丙烯腈浓度和含水量的增加而增大。非溶剂水的加入有益于聚丙烯腈分子的聚集，促进聚丙烯腈溶液的凝胶化，含水量越多的体系越易于凝胶化。发生溶胶-凝胶转变时，标度指数不依赖于聚丙烯腈浓度、含水量和溶剂的种类，说明处于凝胶点的聚丙烯腈凝胶具有相似的分形结构。凝胶熔点和可逆温度扫描实验表明了热致相变形成的聚丙烯腈凝胶是可逆的物理凝胶。温度不同，聚丙烯腈溶液的状态亦不同，凝胶点之上，聚丙烯腈样品处于溶液态，而凝胶点之下，聚丙烯腈样品处于凝胶态。聚丙烯腈溶液的储能模量和损耗模量的双对数曲线可以反应出聚丙烯腈所处的状态，曲线的斜率一样，样品所处的状态是一样的。而且，储能模量和损耗模量的双对数曲线可以看出溶胶-凝胶的转变过程。通过对三元聚丙烯腈溶液凝胶化过程中动态粘弹行为及其影响因素的研究，可以得出水和二甲基亚砜分别是较合适的非溶剂和溶剂，并揭示了聚丙烯腈溶液凝胶转变的内在本质，为凝胶纺丝的实现打下了坚实的基础。　　 三元聚丙烯腈溶液的流变行为及其对可纺性的影响进行了研究，三元聚丙烯腈溶液的流变行为及其可纺性强烈依赖于温度、溶液含水量和聚丙烯腈浓度。在所测温度范围内，聚丙烯腈溶液是一种剪切变稀的非牛顿流体。随温度上升，聚丙烯腈溶液的表观粘度、结构粘度指数和零切粘度下降，而非牛顿指数增大。聚丙烯腈溶液的可纺性随温度的上升而变好。随着聚丙烯腈溶液含水量的增加，聚丙烯腈溶液的表观粘度、结构粘度指数和零切粘度增大，而非牛顿指数下降。随着聚丙烯腈溶液含水量的增加，溶液的流动性变差，溶液的可纺性变差。随着聚丙烯腈溶液浓度的升高，聚丙烯腈溶液的表观粘度、结构粘度指数和零切粘度增大，而非牛顿指数是逐渐减少的。聚丙烯腈溶液的可纺性随着聚丙烯腈浓度的上升而变差。聚丙烯腈溶液的粘流活化能随着含水量的增加先下降后上升。对凝胶纺丝溶液的各项参数的评价，为获得易于凝胶纺丝的溶液相关参数的设定提供了理论指导。　　 采用紫外可见光谱的方法研究了聚丙烯腈溶液的结构演变及其影响因素。聚丙烯腈原液的紫外可见光谱的最大吸收强度和最大吸收波长，按着二甲基乙酰胺、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺的顺序依次增大，聚丙烯腈分子和溶剂的相互作用增强，更有利于聚丙烯腈分子的聚集凝胶化形成网络结构。聚丙烯腈溶液随着聚丙烯腈浓度、含水量和凝胶熟化时间的增加，紫外可见光谱最大吸收强度增加，最大吸收波长变大，谱带发生红移。这说明随着聚丙烯腈浓度、含水量和熟化时间的增加，有利于聚丙烯腈分子的聚集凝胶化形成网络结构，同时，为我们提供了关于聚丙烯腈溶液凝胶化过程新的研究思路。　　 对聚丙烯腈凝胶纺丝的凝固成形机理进行了初探。用膜技术研究了聚丙烯腈凝胶纺初生丝的形貌。在凝胶纺的过程中，空气层的温度要适当。较高的凝胶化温度有利于聚丙烯腈溶液整体凝胶化，形成具有弥散状微孔结构，过低的凝胶化温度会产生凝胶粒子，不利于纺丝和纤维力学性能的提高。聚丙烯腈溶液中非溶剂水的加入有利于形成弥散状微孔的凝胶结构，并可减少凝胶粒子的生成。聚丙烯腈溶液的浓度的提高，有利于减少聚丙烯腈纤维孔洞的孔径。与乙醇相比，非溶剂水更有利于聚丙烯腈溶液的凝胶化，形成牢固的三维网络结构，提高纤维的力学性能。凝胶纺所得的聚丙烯腈纤维横截面，其形状均近似呈圆形且无皮芯结构。含有水的聚丙烯腈溶液凝胶纺更易于形成弥散状微孔的三维网络的结构。对于干湿纺，聚丙烯腈溶液中加入非溶剂水同样有利于减少大孔，获得均匀结构的纤维。溶解试验验证了凝胶纺可以获得无皮芯结构，表里结构均一的聚丙烯腈初生丝。对三元聚丙烯腈溶液的凝胶纺成形机理进行了阐述。高温聚丙烯腈溶液由于温度的陡然下降，热致相变整体凝胶化而形成三维网络结构的凝胶初生纤维。本工作为新型凝胶纺丝法的纤维成形机理的研究及实现，提供了有力的理论指导和实验基础。