高模量聚丙烯腈(PAN)基碳纤维以其优异的性能广泛应用于航天工程、导弹系统等高科技领域，高模量PAN基碳纤维通常由高强型碳纤维经高温石墨化得到。本论文对高强型PAN基碳纤维在高温热处理过程(1500-2500℃)中成分、结构及性能的演变规律以及相互之间的影响关系进行了研究，通过系统的实验和理论分析，为高模/高强高模碳纤维的可控性制备奠定了良好的基础，也为碳纤维性能的进一步提高提供了理论依据。碳纤维在高温热处理过程中，纤维中氮元素不断裂解脱除，碳元素少量发生裂解，氢元素始终保持低含量。氮元素的裂解脱除是引起纤维质量下降以及各成分相对含量变化的主要因素，1900℃左右纤维中的氮元素裂解完全。氮含量随热处理温度和时间的变化都呈现指数衰减关系，氮元素的裂解存在时温等效性，且裂解的温度效应更显著。氮元素的存在形式不同，导致其裂解的难易程度不同，处于无定型区和微晶边缘的单键型氮原子较易裂解，而双键氮原子以及石墨碳网面六元环内的氮原子较难裂解。氮元素在高温下主要裂解形式为氮气，裂解后在原位留下分子级孔洞，此外气体逸出造成纤维内部压力增大，使原有孔洞增大并产生新的孔洞。当裂解速率大于逸出速率时，纤维内压力会不断增大，使纤维产生膨胀，直径增大，密度减小；同时位于微晶内部的氮原子裂解时产生的气体对微晶片层的重排有一定的阻滞作用，而微晶边缘的氮原子产生的气体压力作用于微晶边界，影响微晶取向的提高。通过Raman光谱分析高温热处理过程中纤维的碳化学结构变化，原始碳纤维样品中氮元素以点缺陷的形式存在于石墨片层中，高温下，氮元素裂解留下空位，随温度进一步升高，碳重排反应使石墨片层中的空位逐渐减少，结构不断完善，2000℃后，石墨片层差异主要体现在尺寸大小及边界形状上。碳纤维石墨化程度随温度升高而不断提高，随氮元素的减少增长速度越来越快，氮元素的存在不利于石墨化进程式的进行。1800℃以前，石墨化程度随温度的变化相对较小，含氮石墨片层需要先脱除氮原子才能进行有效生长；1800℃-2000℃时，氮裂解留下的空位以及碳纤维中原有的空位需要先进一步完善才能有效生长，石墨化进程也相对较慢；在2000℃后，石墨片层内部缺陷基本完善，石墨片层迅速增长。通过X射线衍射（XRD）和高分辨透射电镜研究了碳纤维中石墨微晶结构在高温下的演变规律。在高温下石墨微晶结构不断完善，温度达到2000℃后，出现更为有序的晶体结构。石墨微晶沿纤维各个方向上的生长速率不同，温度低于2000℃时，随温度升高晶面宽度沿纤维轴向与径向的尺寸及生长速度基本相同，石墨片层层间距不断下降，2000℃后，晶面宽度沿轴向持续生长，而径向尺寸基本不变，石墨片层间距基本不变。在高温热处理过程中，CH，CN以及CC单键断裂，形成高活性的悬空键，悬空键的生成和消失处于化学平衡态，悬空键一旦产生，迅速与周围悬空键或活性较高的游离碳原子结合，悬空键键合后生成更加稳定的结构后使得平衡移动，并很快达到新的化学平衡态；悬空键的高活性增加了相互之间键合的随机性，导致石墨微晶形态多样性。高温热处理温度较低时，石墨微晶尺寸较小，含量较少，在纤维中处于分散状态；随微晶尺寸的增大，微晶间相互接触，在悬空键作用下，微晶间通过点连接的方式在纤维内形成网络贯通过结构；2000℃后，相互连接在一起的微晶进一步溶合形成大的石墨微晶，纤维内部逐渐形成石墨贯通结构。石墨微晶的分布状态影响纤维力学性能，石墨微晶处于分散状态时，拉伸强度下降较快；处于网络结构时，下降较慢；处于贯通结构时又下降较快。拉伸模量在石墨微晶处于分散状态及网络状态时增长较慢，在形成石墨贯通结构后增长较快。拉伸模量随石墨化度R的减小而不断增加，且当R降至0.7以后，拉伸模量随R的减小而快速增加。拉伸模量随取向度的提高而不断提高，当取向度达到0.87后，模量随取向升高而迅速提高。