聚合物及其碳纤维增强复合材料成形加工的本质是多外场耦合作用下多层次结构的形成、响应和演化过程,其中聚合物分子链、增强纤维在外场作用下经历了相当复杂的取向结构演化过程,即分子链/增强纤维沿特定方向排列成有序结构。取向结构显著影响最终产品的力、热、光、电学等性能,如高度取向能使聚合物的刚度、强度和韧性提高一个数量级,也会引起制品性能各向异性并呈空间分布,导致双折射、光学畸变等。现有聚合物取向检测方法主要有双折射、红外二色性、广角/小角X射线衍射、计算机断层扫描、扫描电子显微镜等,但在实际加工生产条件下,这些方法存在难以穿透金属模具、检测环境难以适应实际工况、操作复杂、成本高等不足,因此只能用于产品最终取向形态的离线表征,可见,目前还没有可用于真实加工环境的聚合物取向在线表征方法。为此,本文提出并研究聚合物分子链与增强碳纤维取向结构演化的介电原位表征新方法,为成形加工条件下取向演化的机理建模及精确调控提供新手段。本文首先从聚合物分子链和增强碳纤维取向引起的偶极矩变化出发,对聚合物分子链与纤维取向演化过程、取向结构与介电响应机理进行分析和建模。根据广义ClausiusMosotti方程,推导建立了聚合物溶液中分子链取向-介电定量关系模型;采用取向张量、取向概率分布函数等表征纤维的取向状态,基于广义麦克斯韦关系,建立了悬浮液中碳纤维取向的介电描述方程。基于聚合物分子链/碳纤维取向-介电理论模型的研究,借鉴传感器阵列的测量思路,采用叉指电极电容阵列构造多向弱电场,提出利用介电响应（介电常数）各向异性来表征取向结构的新方法。为实现取向结构的介电表征,本文分析了叉指电极电容的穿透电场特性,探讨了取向结构的叉指电极电容传感器优化设计与制造工艺。通过叉指电极电容的穿透电场建模和模拟方法,定量分析了电极结构参数（空间波长,电极指数和金属化比等）、被测介质介电特性与探测深度的关系,设计并制作了刚性基底、柔性基底两种叉指电极电容传感器探头。从叉指电极电容结构参数、接触状态两个方面分析了影响测量精度的因素,为叉指电极电容结构优化设计、叉指电极电容安装、不同被测材料体系的应用奠定了基础。基于聚合物材料应变与分子链取向结构的既有理论关系,设计单轴拉伸试验,对本文提出的取向介电表征方法进行了验证。基于聚合物分子链取向-介电模型与设计制造的叉指电极电容传感器,开展了Couette流中分子链取向演化的介电表征与对比验证,实现了成形过程中聚合物分子链取向的原位介电表征。设计了一套Couette流的同轴圆筒稳态剪切平台,采用正交叉指电极电容阵列传感器测量介电常数各向异性信号,分析不同溶剂、不同溶质的溶液体系下聚合物分子链取向演化过程。实验结果表明,介电取向表征方法不仅与聚合物取向的弹性哑铃模型精确吻合,而且还与流变小角激光散射、流动双折射以及流动二向色性三种取向表征方法结果一致,验证了聚合物分子链取向介电测量的可行性,且介电取向表征方法在不透明溶液或熔体、安装便利性等方面具有更好的优势。应用取向介电传感方法,实现了聚苯乙烯材料注射成形过程的分子链取向原位表征,分析了注射成形过程中分子链取向演化规律,初步证明了该方法在聚合物成形加工过程中的应用价值。鉴于采用碳纤维来增强聚合物已被广泛应用,最后,本文还研究了短碳纤维在Couette流中取向演化的介电表征,探讨了Couette流中碳纤维的取向演化规律。通过碳纤维改性解决了其在溶液中的团聚与沉淀难题,构造了短碳纤维悬浮液Couette流的流变取向-介电平台,开展了碳纤维与PVDF/DMF混合而成的悬浮液在Couette流中不同纤维浓度、纤维长径比以及溶剂条件下的原位介电表征实验。结果表明纤维浓度、长径比和悬浮液粘度均与取向正相关,与本文提出的纤维取向-介电模型吻合。本文提出利用聚合物分子链/碳纤维取向的介电响应各向异性,测量不同方向的介电常数来感知取向方向和程度的方法,通过系统的理论建模、传感器优化设计与实验研究,实现了聚合物分子链及碳纤维增强相取向演化的原位介电表征。所提出的取向介电感知新方法有助于聚合物成形过程中取向演化的机理研究和精确调控,对实现聚合物产品高性能化具有重要的科学意义和应用价值。