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聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的制备过程中,碳化是纤维从有机材料变化到无机材料的重要阶段。在这个阶段,伴随着纤维内部一系列的固相化学反应的发生,其化学结构发生巨大变化,而与此同时,其微物理结构也会发生剧变。这些微物理结构主要包括凝聚态高次结构及微孔缺陷结构,至今国内外关于碳化过程中凝聚态高次结构的研究鲜有报道,而关于微孔结构的研究也仍不够全面,且并没有提出系统的微结构演变模型。本文通过对PAN纤维进行不同碳化温度的热处理,并使用小角X射线散射(SAXS)与高分辨透射电镜(HRTEM)的方法研究了PAN基碳纤维在碳化过程中微结构的温度依赖性,发现了碳纤维中存在长周期堆砌结构,并进一步研究与讨论了其长周期结构与微孔缺陷结构随热处理进程的演变规律。研究结果表明：1.通过HRTEM照片可清晰观察到碳纤维内部存在石墨微晶有序堆砌区域与石墨微晶无序堆砌区域,以及有序度处于两种结构之间的过渡区域,并且这三种区域以一定顺序堆叠排列。通过SAXS测试发现,碳纤维SAXS散射花样在赤道方向的散射曲线在q=0.15nm-1(q为散射矢量,q=4πsinθ/λ)附近存在肩峰信号,说明其存在周期结构并沿纤维径向层状堆砌。2.通过对不同碳化温度纤维的赤道SAXS散射曲线进行研究发现PAN基碳纤维长周期结构在碳化温度为700℃时开始出现,其长周期尺寸(L)约为40nm且随热处理过程呈先增大后减小的规律,转折温度区域约为1350℃左右。3.通过一维相关函数计算得到长周期中三部分结构参数随温度的变化：1350℃之前,随固相反应进行石墨微晶有序堆砌结构尺寸(L0)、石墨微晶无序堆砌结构的尺寸(Ld)呈增大趋势,过渡区(Lt,)呈减小趋势；1350℃之后由于石墨结构的重排及紧密堆砌,Lo、Ld、Ltr均呈减小趋势。4.碳纤维赤道方向SAXS散射曲线在q=2nm-1处从热处理温度为1200℃左右开始出现由石墨微晶结构散射导致的宽峰。通过计算发现使用SAXS数据计算所得石墨微晶尺寸Lg比使用WAXD数据所得Lc大,Lg与L。随热处理温度的变化规律相似,2000℃之后的增长速率大于2000℃之前。5.PAN基碳纤维SAXS散射花样呈纺锤形分布,将其进行全积分后,其一维散射曲线为一条随散射矢量(q)增加而减小的平滑曲线,说明其散射信号基本是由纤维中的处于稀粒子体系的微孔结构导致的,且碳纤维为中微孔基本为长径比较大的椭球孔。6.通过对不同热处理温度下的一维SAXS散射曲线进行理论计算,得到均方回转半径Rg、相对孔体积Vrel、孔隙率P、比表面积S/V四个孔结构参数随温度的变化,通过分析其变化规律,可将PAN基碳纤维微孔结构随热处理温度的变化分为三个阶段：<1>400-700℃以微孔体积变化(孔的融并)为主,形态变化为辅；<2>700-1800℃微孔体积变化(孔的分裂与缩小)与形态变化(边缘复杂化)同步；<3>1800-2400℃微孔形态变化为主,体积变化为辅。通过本论文的研究,发现了碳纤维中存在长周期结构,并进一步研究了其形成原因及随热处理过程的演变规律,同时也研究了碳化过程中纤维内部微孔缺陷结构的演变规律,并初步建立了碳纤维热处理过程中周期结构与微孔缺陷结构的演变模型。