PAN纤维是线性高分子，它的耐热性较差，将它放在高温下热处理会分解，不会得到碳纤维。若在温度较低的含氧气氛中加热(180～300℃)PAN纤维，气氛中的氧会促进PAN线性分子结构发生变化，生成带有共轭环的梯形结构，提高了PAN的热稳定性，使其能经得起高温碳化处理，得到碳纤维，这就是稳定化的目的。稳定化是CF制备过程中的非常关键的步骤，它很大程度上决定了CF的结构和性能。
  

  稳定化是在稳定化炉中进行，在含氧气氛中(空气、CO2、SO2、NO2等)缓慢加热，升温速度处理时间及最终处理温度要根据PAN组成、纤度等严格控制。一般升温速度在1～2℃·min-1, 为了使纤维中形成的梯形结构进一步取向，在稳定化阶段需要施加张力。稳定化过程中发生了复杂的化学反应，包括环化降解、脱氢、氧化反应等。脱氢反应在环化反应前和环化反应后都将持续进行。随着这些化学反应的进行，PAN纤维颜色由白变黄，再变成棕黑色。改变颜色的一种观点认为是热处理过程中PAN纤纤维结构变化的结果，另一种观点认为是含有C=N双键的梯形结构形成的结果。稳定化过程中发生的反应大部分是放热反应，例如脱氢和环化的热焓分别为-242.67KJ·mol-1和-58KJ·mol-1.