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本文采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)和透射电镜(TEM)对三种国产碳纤维T300、T700、T800和日本东丽碳纤维T700的表面微观形貌、元素成分及含量、晶体结构、化学结构和形态结构进行了表征,并结合原子力显微镜(AFM)对硬度相对大小进行了研究,探讨了其中的差异,以及这些差异对力学性能的影响,这不仅为生产国产高性能碳纤维提供科学的理论指导,还可为制备复合材料时选择碳纤维提供参考。SEM结果表明:日本T700断面最接近于圆形,圆度值接近于1。国产T300、国产T700、日本T700碳纤维的直径均在7μm左右,而国产T800的直径约为5.4μm。国产T300表面的沟槽深度和宽度大于国产T700,沟槽数量最多,国产T800表面只存在丝丝纹理,并且沿纤维轴向取向较好,日本T700表面较光滑,几乎无沟槽存在。碳纤维直径越细,单体体积内部存在缺陷几率越小,其强度也就越大。这是国产T800的拉伸强度优于国产T300和T700原因之一。沟槽的存在使得国产T700与树脂基体的润湿性优于日本东丽T700,但另一方面也导致其拉伸强度低于日本T700;四种碳纤维均含为C、N、O、Si几种元素,其主要化学成分均为C(90%以上)。国产T300碳纤维的C元素含量最低,N元素含量最高,其拉伸强度明显低于其它三种碳纤维。XRD和Raman表明:日本T700在微晶尺寸、堆砌层数和石墨化程度均高于国产T700,国产T800优于国产T300和T700。TEM结果表明:由国产T300至国产T800,晶格条纹趋于规整,晶相所占的比例增大,国产T800晶格条纹沿纤维轴有一定的择优取向。因此,碳纤维石墨层排列的有序程度即石墨化程度是国产T800>国产T700>国产T300。同理,日本T700的石墨化程度高于国产T700。说明微晶尺寸和石墨化程度对碳纤维的力学性能有着重要的影响。日本T700的硬度大于国产T700,三种国产碳纤维的硬度由国产T300至国产T800依次增大。这种微区力学性能的不同就导致碳纤维在拉伸模量上的一些差异。对碳纤维微观结构的分析表明:减小碳纤维的直径、增大圆度、减少表面沟槽、提高微晶尺寸以及石墨化程度等均有助于提高碳纤维的宏观力学性能。