1.预氧化PAN原丝在200～300℃的空气介质中，通过预氧化炉，在炉中PAN大分子链转化为环形梯状结构，使其在高温碳化时不熔不燃，保持纤维的形态。预氧化时于PAN原丝上加以一定的张力。预氧化反应所需的时间，是纤维直径的函数，直径越大所需时间就越长。预氧化过程中，发生一系列复杂的化学反应，纤维颜色由白色变黄色、棕色。纤维的密度由1.18g/cm3增加到1.36～1.38g/cm3，氧化后纤维含碳量为60%～70%（质量分数，下同），含氮20%～24%，氧含量5%～10%，氢含量2%～4%、组成及结构变化见图9-2。
图9-2 PAN原丝预氧化、炭化过程结构变化
预氧化是一个受多种因素影响的复杂过程，诸如原丝的结构、氧化温度、时间、升温速度、预加张力等。预氧化工艺条件和设备设计要满足PAN原丝的上述化学反应和结构转变，对放热反应要有良好的温度控制和空气风量、风温的测试。为了得到优质的碳纤维，采用多段施加预张力，以确保PAN原丝达到要求的预氧化程度和均匀性，线型PAN大分子链转化为耐热梯形结构的预氧化丝。
2.碳化及石墨化预氧化丝在氮气保护下，进入碳化炉，炉内温度800～1500℃，纤维发生碳化反应，梯形大分子发生交联，转变为稠环状结构，纤维中碳的含量从60%提高至92%以上，形成梯形六元环连接的乱层状石墨片结构（图9-2）。
碳化过程中，前一区域温度较低约600℃，加热速度较低传质过程缓慢，有利于大分子结构中的氢，以H2O、NH3、HCN和CH4的形式从纤维中分离出来，氮主要以HCN、NH3的形式分离。之后高温区800～1500℃时，除了氢、氮以上述形式分离外，还以分子态氢和氮的形式分离，同时氧也以H2O、CO2和CO的形式分离出来，这些热解产物的瞬间排除是碳化工艺的技术关键。碳化炉的设计和工艺要使分解产物顺利排出，否则会造成纤维表面缺陷，影响碳纤维的质量。和预氧化一样，纤维碳化时也会有物理和化学的收缩，所以也对纤维施加适量的张力进行拉伸，提高大分子主链方向的择优取向。
为了获得更高模量的碳纤维，可将碳纤维再经过接近3000℃高温热处理，也称石墨化处理，使纤维的含碳量增加至99%以上，促进纤维的结晶在大分子轴向的有序和定向排列。石墨化工艺要绝对隔断氧气，炉子中的气体只能选择氩或氦气，不用氮气，因为氮在2000℃以上时与碳反应生成氰化物。
3.碳纤维的表面处理和上浆碳纤维主要作为纤维增强材料应用，碳纤维增强树脂的强度取决于该纤维与基体树脂之间的黏合力，所以碳纤维需要经过表面处理，改善纤维表面形态，增加表面活性，加强与基体树脂界面的复合性能，提高复合材料的层间剪切强度。经炭化或石墨化后的连续碳纤维长丝，先进入表面处理工序，使碳纤维表面部分氧化，以增加表面活性，然后对表面进行上浆，将在碳纤维表面涂覆上浆剂，见图9-3。(www.xing528.com)
图9-3 碳纤维表面处理和上浆（从左至右）
对碳纤维进行表面处理，主要是对表面进行氧化，可通过电解氧化法、化学氧化法、等离子氧化法、臭氧氧化法等实现。图9-4是电解氧化法示意图。连续碳纤维作为阳极经过辊筒进入含有电解液的阴极电解槽中，电解液是由水溶性化合物组成，例如，碳酸铵水溶液、次氯酸钠水溶液、硫酸等。经过电解处理在碳纤维表面产生含氧化合物，增加表面活性。
虽然表面处理的作用机理还不十分清楚，但处理后在碳纤维表面产生了活性点，较好地改善了纤维与基体树脂的黏合力。经表面处理的碳纤维与树脂复合，其层间剪切强度可提高至80～120MPa，而未经表面处理，它的复合材料层间剪切强度只有50～60MPa，达不到使用的要求。
经表面处理后的碳纤维还要经上浆处理，一般用改性环氧树脂类的溶液作为上浆剂，上浆可以避免碳纤维在后道加工中起毛损伤，也能增加纤维之间依靠树脂建立的结合力。上浆过程可由图9-5示意。
图9-4 碳纤维电解法表面处理
图9-5 碳纤维表面上浆
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