碳含量在90％以上的碳纤维，既有碳石墨材料的优良固有特性，又有纺织纤维的良好加工能力，如高强度、高模量、耐温性好、耐腐蚀性优异、密度低。碳纤维生产是一个复杂的工艺过程，生产涉及聚合、纺丝、预氧化、碳化/石墨化四个主要步骤，预氧化和高低温碳化工序直接影响产品的力学性能指标，而预氧化又是碳纤维生产过程中的关键工序，对碳纤维的性能有着至关重要的影响。
预稳定化温度一般在180‑300℃之间，同时发生环化、脱氢、氧化、交联等复杂的化学反应。同时，PAN纤维从线性结构转变为热稳定的梯形结构，以使纤维在高温碳化过程中保持不燃。预氧化步骤通常占PAN基碳纤维生产总生产成本的18％，占单丝束中试装置总能耗的63％。因此，减少预氧化过程的时间和能耗十分重要。
作为PAN基碳纤维承上启下的一环，稳定的预氧化结构有利于后续碳化阶段乱层石墨结构的形成。PAN原丝预氧化是个复杂的过程，环化、脱氢、异构化和氧化反应错综复杂，互相影响，最终形成包括吖啶酮、吡啶环、氧化萘啶环等多种结构，对预氧化的表征分析和工艺优化带来了很大的困扰。预氧化反应中较为重要的反应是环化和氧化反应，环化反 应生成带有C＝N基团的环状梯形结构，这种结构在350℃左右会发生裂解，不利于后续碳化过程；氧化反应生成含氧杂环，能够提高预氧丝的稳定性。
针对现有技术的不足，中复神鹰提供一种聚丙烯腈基碳纤维及其预氧化方法、制备方法，以提高预氧化纤维的热稳定性。
第一方面，该专利申请提供了一种聚丙烯腈基碳纤维的预氧化方法，包括：将聚丙烯腈原丝在惰性气氛下进行预处理，然后在氧化气氛中进行预氧化处理；氧化气氛中氧气的体积分数为20‑40％；预处理的温度为200‑300℃，预处理的时间为20‑60min；预氧化处理的温度为180‑250℃，预氧化处理的时间为30‑120min。
本申请中，将聚丙烯腈原丝先在惰性气氛中，以及在200‑300℃下进行预处理，形成具有高环化度的预处理纤维，从而增加纤维的环化度，即聚丙烯腈分子内部的腈基(‑C≡ N)环化反应形成含氮六元环结构。这种高环化度的纤维具有更好的热稳定性，可以抵抗高温下的分解反应，具有更好的碳收率。随后再在空气或氧化气氛中，以及在180‑250℃下进行预氧化处理，在该预氧化过程中，发生氧化反应，形成氧杂环结构。这些氧杂环结构有助于抑制分解反应的进行，减缓纤维的热降解速度，因此可以进一步提高纤维的热稳定性。进一步的，通过协同控制预处理和预氧化处理的时间，可以优化纤维内部结构的形成，使纤维在高温下有足够的时间进行环化反应，形成高环化度的纤维。同时，可以优化氧杂环结构的形成，从而提高纤维的热稳定性。此外，相对于传统的高温预处理和预氧化方法，本申请提供的方法采用相对较低的温度进行处理，从而降低了能耗。预氧化过程中使用的氧气体积分数为20‑40％，也有助于提高反应速度，减少能源消耗。而且，该预氧化方法为后续的碳化/石墨化步骤提供了一个较好的结构基础。预处理和预氧化过程中的结构调控可以增加纤维的耐热梯形结构含量，可以使最终合成的纤维获得更好的力学性能和热稳定性。
第二方面，本申请实施例提供了一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，将聚丙烯腈原丝按照上述的预氧化方法进行处理后，得到预氧化纤维；将预氧化纤维再进行碳化处理，得到聚丙烯腈基碳纤维。
该方法中，先将聚丙烯腈原丝通过上述预氧化方法进行预氧化处理，可以实现对聚丙烯腈原丝的氧化反应，提高纤维的热稳定性。这样制备得到的聚丙烯腈基碳纤维在高温环境下能够保持较好的结构和性能，具有更高的热稳定性。再进一步通过碳化处理，可以使纤维的碳收率增加，从而提高纤维的力学性能。使制备得到的聚丙烯腈基碳纤维具有较高的强度和刚度，适用于各种工业和高技术领域的应用。
2024 年，中复神鹰预计研发投入保持在2亿元左右，同时加快专利布局，预计年度新增申请专利超230件。