碳纤维的制备过程中有机纤维经过高温热处理不断的分解将非碳元素逸出同一平面上相邻的碳原子互相结合，形成石墨平面网层结构。

　　普通碳纤维的结构具有与石墨结构相似的平面网层，这些石墨平面网层沿垂直于纤维长度的方向(轴向)杂乱的堆积，称为石墨乱层结构；高强度、高模量的碳纤维在结构上与普通碳纤维存在差别，这类优质碳纤维结构内的石墨平面网层沿纤维长度方向平行且整齐的排列。这种差别主要是有机纤维在加热过程中是否受到张力的作用而造成的。在加热过程中，如果有机纤维没有受到张力的作用而自由收缩，那么就会制得由石墨乱层结构堆积的普通碳纤维；如果有机纤维在加热过程中对其施加张力，那么在张力作用下有机纤维内分子就会沿纤维长度方向整齐的排列。

　　石墨平面网层之间是靠较微弱的范德华力结合，而石墨平面网层内相邻的碳原子间的结合力要远大于层间的范德华力。普通碳纤维由于石墨平面网层垂直于纤维长度方向，受到的拉力作用在层与层之间，因此容易变形或断裂；高强度、高模量的碳纤维内部网层平行于纤维方向，当纤维受到拉力时拉力不再作用于层与层之间，而是作用于许多互相平行的石墨平面网层。上而这些平面网层都是由共价键结合的碳原子相连而成因此这种高强度高模量的碳纤维不容易变形或断裂这也就是制备高强、度高模量的优质碳纤维在加热过程中对有机纤维施加张力的原因。

　　石墨平面网层与纤维轴向的夹角被称作取向角。取向角越小石墨层平面与纤维的取向度就越高，一般高模量的碳纤维取向角小于10°，而普通的碳纤维取向角很大一般达到40°以上。同时在热处理过程中，随着碳化温度的升高取向角减少碳纤维的强度和弹性模量增强。另外取向角越小碳纤维的导电性能就越好，也就是说石墨平面网层平行于纤维轴向的方向具有良好的导电性。

　　碳纤维的表面不是很光滑，内部结构也存在一些缺陷。形成这种缺陷的原因主要有两方面：一个原因是原丝在制造过程中表面和内部本身存在缺陷，如气孔和裂纹这些缺陷，随着原丝的碳化保留在碳纤维中造成碳纤维表面和内部结构的缺陷；另一个原因是有机纤维在热处理过程中不断分解，分解的产物以气体的形式从纤维逸出，这样就会造成碳纤维出现气孔形成裂纹，这也是碳纤维表面的缺陷多于内部的原因之一。 如果热裂解过程中升温速率太快，有机纤维分解出的气体逸出的就快，那么在碳纤维上留下的气孔和裂纹就大。

　　随着热裂解温度的继续升高，碳纤维的石墨化程度越来越好，一些小的气孔和裂纹逐渐消失。缺陷存在的地方碳纤维容易发生断裂，为提高碳纤维的质量，减少碳纤维制备过程中产生的缺陷也是一个途径。原丝要选择结构致密纯净度高的、杂质和表面灰尘少的。另外应该选择含碳量高的有机纤维这样在热裂解过程中其它元素分解逸出的气体就会减少，对碳纤维造成的缺陷也随之减少。碳纤维的表面由结晶区和非结晶区组成，随着碳化温度的升高，碳纤维的结晶性越来越好，表面结晶区面积越来越大。热裂解的温度低，碳纤维的表面比较粗糙，随着热裂解的温度升高碳纤维的表面就变得光滑，例如石墨化的碳纤维，其表面非常光滑结晶区尺寸很大。碳纤维的结晶程度与其石墨化的程度密切相关。

　　综上所述，碳纤维热裂解的温度越高，其强度和弹性模量就越高，结晶性就越好，表面缺陷就越少，这样可制得优质碳纤维。但是碳纤维的表面越光滑，活性位点就越少，如果用碳纤维做模板制备复合材料，不利于材料择优生长甚至材料不能在碳纤维表面生长。即使制得复合材料，复合界面的连接强度也非常低。为了解决这个问题，我们不能为了得到表面存在缺陷的碳纤维，而将碳纤维的性能降低，所以只能对碳纤维进行表面处理增加其表面活性位点。

　　碳纤维表面氧化处理的方法主要分为液相法和气相法两种。液相法一般是采用浓的硝酸浸泡或加热回流使碳纤维的表面形成羟基和羰基或者用过氧化氢氧化形成羧基；气相法一般是在900℃以上的高温，在氮气保护下的碳纤维通水蒸气或者CO2，通过氧化还原反应碳纤维的表面被氧化形成微孔结构，这些微孔将成为纳米颗粒下一步的生长位点。液相法氧化处理相对于气相法来说能够被很好的控制。氧化过程一般沿着纤维轴向并且在石墨层破损的位置氧化性增强。

　　碳纤维是一种重要的材料，由于其优异性能被广泛应。用到各个领域。碳纤维的结构和性质决定了碳纤维的性能以及碳纤维复合材料的性能。