碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶材料。石墨具有层状结构，在石墨的层面中，碳原子排列在六边形中，其中每个碳原子与三个附近的碳原子形成sp2杂化轨道，并有一个未杂化轨道。未杂化轨道使石墨在平行基面上产生高导热和导电。这些层面叠加在一起形成石墨的三维晶体结构，层间距为0.334nm。层间的结合是通过范德华力。这赋予它较高的各向异性结构。弹性模量：载荷平行于基面为1060GPa，载荷垂直于基面为36.5GPa，基面的剪切载荷为4GPa。
石墨平面可绕轴旋转，这样将失去三维晶体石墨的ABAB堆砌顺序，产生众所周知的螺旋层碳的二维晶体结构。螺旋层碳中的石墨层间距大于石墨。
从PAN制备的高模量碳纤维以石墨层面的优先取向平行于纤维轴的方式组成的螺旋层晶体。晶体由两个参数确定，称为宽度（平行于纤维轴）和高度（垂直于纤维轴），纤维的模量强烈依赖于层面取向程度，取向程度随纤维制备工艺中热处理温度和拉伸程度增加而增加。
碳纤维的另一个结构特征是晶间存在15%～20%的孔。微孔呈长条状，并优先平行纤维轴方向。微孔的直径为1～2nm，长度至少20～30nm。孔的存在以及螺旋层碳的更大层分离使纤维密度比石墨理论密度小。
使用X射线衍射和电子衍射研究PAN基碳纤维的结构，表明纤维有微细纤维的分支结构，基本的结构单元是6nm宽、数千纳米长的带状层面。几个带组合在一起形成胶在一起的微纤。微纤取向高度平行于纤维轴，并分支形成直径为1～2nm的长孔。(www.xing528.com)
Johnson提出了三维结构模型见图9-4所示。此模型具有皮芯结构，在其皮区域，层面高度平行于纤维表面；芯部由螺旋层碳晶体组成，螺旋层碳晶体约6.5nm.晶体叠加一起，有倾斜和扭转的边界，形成平行于纤维的柱子。在柱子之间存在直径约1nm、有限长的空洞。该模型认为碳纤维的强度主要由纤维的外皮决定。
图9-4 PAN基碳纤维微观结构模型
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