聚酰亚胺（PI）是一类分子链中含有酰亚胺环的聚合物。由于PI链上含有大量共平面芳环和杂环单元，PI表现出优异的性能，作为碳材料前驱体具有巨大的潜力。因此，在一些研究中，具有特定分子结构的PI已被用于制备各种碳材料，包括碳膜、碳纤维和多孔碳[1], [2], [3], [4]。其中，Kapton型PI膜已成为制备具有优异导热性的高取向石墨膜的代表性前驱体[5], [6], [7]。Inagaki[2]简要阐述了芳香族PI的碳化行为，并系统综述了PI基碳材料的结构与功能。Hishiyama[4]通过将碳化PI膜（Kapton）在2700°C和3050°C下热处理，制备了高结晶石墨膜。PI基石墨膜的导热系数可高达1800 W·m-1·k-1[8]。
因此，PI纤维在理论上是制备高导热石墨纤维的理想前驱体。然而，关于PI基石墨纤维（PI-GFs）的实验研究仍然有限[9], [10], [11], [12], [13]。Xiao等人[12]发现，交联方法可以有效地提高共聚PI纤维的热稳定性和碳化收率。Li等人[13]表明，氧化石墨烯的添加促进了PI-GFs中更有序的结晶结构和导热性能的提升。
尽管这些研究有助于加深我们对如何制备高导热石墨纤维的理解，但在达到与PI基石墨膜相似的高性能（尤其是导热性方面）方面，仍有很长的路要走。
这可能归因于三个原因。首先，由于加工方法不同，PI纤维和PI膜形成了不同的凝聚态结构，纤维无法实现膜所具有的高面内取向性。其次，热处理过程中的热应力松弛导致分子链解取向。最后但同样重要的是，主链断裂和热解过程中小分子剧烈逸出导致严重的质量损失和结构破坏。这导致碳网络无序重排，形成取向错误的片层，无法组装成高效声子传输和高导热性所必需的大尺寸、高有序石墨晶粒。
在目前应用最广泛的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制备中，拉伸，尤其是热处理过程中的拉伸，是实现其高性能的最重要因素[14], [15]。与其他加工方法相比，拉伸在增加纤维轴向取向和减少纤维结构缺陷方面效果显著，从而改善力学性能。没有拉伸的PAN基碳纤维同样呈脆性，力学性能较低[16], [17]，与早期制备的PI-GFs类似。因此，热处理过程中的拉伸作为各种碳纤维前驱体的关键加工参数，从根本上影响所得碳纤维和石墨纤维的结构演化和最终性能。尽管拉伸已广泛应用于提高各种碳纤维前驱体的性能，但其在刚性链PI体系中的作用尚未被系统研究。鉴于拉伸可能是大幅提高PI-GFs性能并实现其实际应用的关键机遇，对不同拉伸应力水平下PI-GFs的结构和性能进行全面研究既必要又及时。
纺丝过程中的拉伸可促进聚合物链沿纤维轴向有序排列，这在关于PAN[18], [19], [20], [21]、聚酰胺（PA）[22], [23], [24], [25]和PI[26]的大量研究中已得到证实。
在纤维热处理过程中，拉伸也起着不可或缺的作用。根据对PAN基碳纤维预氧化过程的研究[27]，发现在热处理过程中施加拉伸可以抑制分子链的热收缩和解取向。对于介相沥青（MP）基碳纤维[28]，施加的拉伸确保在分子链保持良好取向状态的同时发生交联反应，从而有效地稳定了对齐结构。
热酰亚胺化是PI-GFs制备中的第一步热处理，也是PI合成中最关键的步骤[29], [30], [31], [32], [33]。该过程本质上复杂且难以控制，因为它涉及溶剂蒸发、分子链环化、构象变化和链活动性及取向变化等多种现象的同时相互作用。
尽管拉伸对PI纤维的影响已得到一定程度的研究，但尚无文献报道拉伸对热酰亚胺化过程中PI-GFs结构和性能的影响，也未评估该方法在提高石墨纤维性能方面的有效性。因此，在本研究中，我们系统地研究了在酰亚胺化过程中施加不同水平拉伸应力的效果。同时，为了提高纤维的可拉伸性，本研究采用化学酰亚胺化和热酰亚胺化的组合方法制备PI-GFs。
在聚合物前驱体的碳化过程中，通常会发生沿轴向的纤维收缩[34], [35]。根据对PAN碳化过程的研究[36]，在碳化阶段施加适当的拉伸应力可以抑制轴向热收缩。然而，PAN基纤维的碳化始于预氧化过程中形成的环状梯状结构，而PI-GFs则是从刚性芳环链骨架进行碳化。由于这种根本性的结构差异，碳化过程中施加拉伸导致每种前驱体具有不同的结构演化路径。目前，关于拉伸在PI碳化过程中应用的研究较少。
总之，在聚合物纤维的热处理过程中，拉伸对于改善纤维形貌和物理性能至关重要。通过在热处理过程中施加适当的拉伸应力，石墨纤维的力学性能和导电性能有望得到提升。本研究在PI热酰亚胺化和碳化过程中施加了不同水平的拉伸应力，将研究PI-GFs中拉伸诱导的结构与导电性之间的关系。
