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聚丙烯腈（PAN）原丝预氧化过程是碳纤维制备过程的重要环节，与无氧气氛相比，在空气气氛下进行的预氧化反应，可以在较低的温度下和较短的时间内，形成适宜的预氧结构。同时氧化程度过低使得纤维不能形成比较完善的耐热梯形稳定结构；而氧化程度过高使得纤维在后续碳化过程中形成较多缺陷，影响碳纤维性能，因此预氧化热处理阶段形成的含氧结构种类及含量必将影响后续氮气中碳化过程的热分解反应，从而影响碳纤维结构和性能。由于预氧化阶段本身的复杂性以及含氧结构检测手段的局限性，使得各国学者对PAN预氧纤维氧化过程含氧结构的形成研究较少。本文将PAN原丝进行长时间热处理，借助傅里叶变换红外（FT-IR）、固体核磁(13C Solid-NMR)、X射线电子能谱（XPS）、Boehm滴定法、热失重红外联用（TG-IR）等测试手段研究了热稳定化过程中含氧结构的变化，并对不同热处理温度下的预氧纤维含氧结构的特点进行研究，探讨了预氧纤维含氧结构形成条件；同时进一步研究了预氧纤维含氧结构在后续高温热处理过程演变规律。研究结果表明：1.150℃热处理下，共聚单体衣康酸中部分羧基之间发生脱水反应形成酸酐结构；170℃热处理下，空气中氧与纤维发生氧化反应以羰基和羟基结构形式结合至纤维中，即170℃热处理下，空气中氧结合至纤维中形成含氧结构；2.190℃热处理下，空气中氧继续以羰基和羟基结构形式结合至纤维中，并且二者含量相对于170℃显著增加；210℃热处理下的预氧纤维含有羰基、羟基和少量由羰基氧化成的羧基结构；230℃热处理温度下，剧烈的氧化反应使得新生成的羰基继续被氧化为羧基和酯基结构，因此使得该热处理温度下的预氧纤维含有羰基、羟基、羧基和酯基四种含氧结构；3.经170℃热处理的预氧纤维径向含氧结构种类相同，但是含量开始出现些微差异；高于210℃热处理的预氧纤维径向含氧结构种类和含量都存在显著差异；4.不同氧化程度预氧纤维热稳定性呈现先升高后降低趋势，研究发现由形成的环化结构和含氧结构共同作用的结果；5.不同氧化程度预氧纤维经后续高温热处理时，其含氧结构分别以CO、CO2和H2O形式从纤维中脱除；从热稳定性方面考量，经245℃处理的预氧纤维结构中形成比较适宜的预氧结构。通过研究，明确了共聚单体中含氧结构预氧化过程的演变以及空气中氧结合至纤维形成含氧结构的条件，最终确定了各热处理温度下预氧纤维中含氧结构种类，并且进一步分析研究了不同氧化程度预氧纤维中含氧结构在后续高温热处理过程中的脱除形式，从而揭示预氧纤维中含氧结构形成与演变规律。