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碳化是碳纤维生产的最后一道工序，更是一个复杂的物理化学变化和结构转变的过程，是在惰性气体保护下发生热分解、热缩聚过程。其结果使预氧丝的梯形结构逐渐转化为碳纤维的乱层石墨结构。低温碳化阶段是后面高温碳化阶段和前面预氧化阶段的过渡阶段，起着承前启后的作用。低温碳化阶段纤维内部能量的变化、结构的改变、元素含量的变化和结晶程度的变化都是碳纤维制备过程中研究的重点和难点。因此，本文针对碳纤维制备过程中的低温碳化阶段，围绕低温碳过程中纤维内部的化学结构的变化和纤维整体物理性能的转变规律，做了进一步的研究。考察了低温碳化过程中牵伸张力、碳化温度和碳化停留时间对纤维的物理、化学结构和性能变化影响。通过系统的分析和理论研究，更加明确了不同的外部条件对低温碳化过程的速率和稳定性的影响，对以后能够制备出高强、高模的碳纤维奠定了理论基础。本实验通过对N2气氛保护下，四种不同升温速率低温碳化过程中预氧丝的DSC和TG曲线分析，考察了升温速率对低温碳化热行为的影响。结果表明：较低的升温速率能够避免纤维集中放热，导致瞬间温度升高，对纤维造成损伤，影响纤维性能。低升温速率下，纤维的结构更加稳定。通过Kissinger‐Akahira‐Sunose （KAS）公式和Crane公式，对纤维在低温碳化过程中的动力学做了比较详细的研究。计算出了低温碳化过程中的反应的表观反应活化能E=190.58KJ﹒mol‐1，表观频率因子A=9.85×1013，反应级数n=0.95，该反应动力学方程：da/dt=9.85×1013×exp（‐190.58/RT）×（1‐α）0.95。对精确控制反应的速度奠定了理论基础。通过外推法，确定了低温碳化的温度范围应为300℃～600℃。低温碳化过程伴随着复杂的物理和化学变化，因此，本文详细了考察了不同的温度、不同牵伸和不同停留时间下纤维的强度、纤度、直径和密度的变化规律。借助JRG-群子统计力学，对上述物理性能进行了理论研究，通过计算机拟合得出过程中竞争因子的变化规律。理论表明：纤维强度、纤度和直径的R1随着牵伸张力的增加逐渐减小，R2逐渐增大。并通过理论结合实际物理意义，对纤维在低温碳化过程中的体密度的变化规律进行预测，采用实际测量数据进行了证实。通过红外分析、元素分析和XRD分析，对纤维在低温碳化过程中的化学变化、元素含量变化和结晶度变化做了研究。结果表明，纤维在低温碳化过程中，发生着剧烈的化学变化，较短时间的碳化，并不能使直链结构热解和芳构化结构形成足够充分，应该适当增加低温碳化时间，有助于结构稳定。低温碳化过程是一个H、O、N等非碳元素不断排出，C元素不断富集的过程，这个过程和红外测试显示的化学变化过程， TG显示的热失重过程相对应。同一条件下，较小的牵伸张力使纤维强度增加，但红外图谱上的各种峰值却没有明显变化，说强度的增加不是纤维在低温碳化过程中化学结构变化所引起，而是在牵伸张力的作用下，纤维内部的微交联结构沿纤维轴向取向所引起。XRD分析表明，随着牵伸张力的提高，结晶峰反而有所下降，说明低度牵伸，能增加纤维的结晶度和强度，牵伸过高容易引起纤维结晶区域的破坏，降低纤维的结晶度和强度。