[发明专利]一种Si/C复合纤维材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种Si/C复合纤维材料，其特征在于，所述Si/C复合纤维材料由炭基体和分散于其中的Si颗粒复合而成；其中，所述Si/C复合纤维材料的外观呈长纤维状；其中，所述Si/C复合纤维材料的微观结构为包覆硅颗粒的多孔炭；其中，所述多孔炭呈蜂巢或海绵状；

其中，Si/C复合纤维材料的制备方法，包括如下步骤：

制备纺丝液：制备含有溶剂、分散在所述溶剂中的硅颗粒、溶解在所述溶剂中的第一聚合物的纺丝液；其中，第一聚合物为能进行溶液纺丝的聚合物；在所述纺丝液中，所述第一聚合物的质量分数为5-35%；所述硅颗粒的质量大于0，且所述硅颗粒的质量不超过所述第一聚合物质量的50%；所述纺丝液中还含有其他助剂；其中，所述其他助剂的质量大于0，且小于等于第一聚合物质量的10%；其中，所述其他助剂选用γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、氨基官能团硅烷、十六烷基三甲基溴化铵、乙二醇、丙三醇、F127、P123、乙醇中的一种或几种；所述纺丝液中还含有木质素，所述木质素的质量大于0，小于等于所述第一聚合物质量的50%；

制备Si/C复合纤维原丝：采用湿法纺丝或干喷湿法纺丝的方法，将纺丝液凝固，形成初生纤维，再对初生纤维进行水洗、热牵伸、干燥处理后，得到Si/C复合纤维原丝；

预氧化、碳化处理：对所述Si/C复合纤维原丝进行预氧化、碳化处理，得到Si/C复合纤维材料。

2.根据权利要求1所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，

所述Si/C复合纤维材料呈多级孔分布，平均孔径为5-25nm，孔容为0.3-5.6cm³/g。

3.根据权利要求1或2所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，

所述Si/C复合纤维材料中：所述硅颗粒的质量分数大于0、小于等于45%；和/或

所述Si/C复合纤维材料的直径为30-250μm。

4.根据权利要求3所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，所述硅颗粒为纳米硅颗粒。

5.根据权利要求4所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，所述纳米硅颗粒的粒径为20-200nm。

6.根据权利要求1所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，

所述木质素包括有机溶剂木质素、水解木质素、从造纸黑液中提取的木质素中的一种或几种；和/或

所述溶剂选用二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺中的一种或几种；和/或

所述第一聚合物为聚丙烯腈PAN、醋酸纤维素CA、聚乙烯醇PVA、聚酰亚胺PI中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，所述制备纺丝液的步骤，包括：

制备硅分散液：将硅粉分散在溶剂中，在25-80℃的温度下搅拌均匀，得到硅分散液；其中，所述硅分散液中还添加有其他助剂；

共混：将硅分散液、第一聚合物或第一聚合物溶液、溶剂混合后，在25-80℃下机械搅拌均匀后，得到纺丝液；在所述共混的步骤中，所述纺丝液中还添加有木质素。

8.根据权利要求7所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，

在所述共混的步骤之后，还包括对所述纺丝液进行脱泡处理的步骤。

9.根据权利要求8所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，将所述纺丝液放置在25-80℃的真空状态下进行脱泡处理。

10.根据权利要求1所述的Si/C复合纤维材料，其特征在于，所述制备Si/C复合纤维原丝的步骤，包括：

步骤1）：所述纺丝液经过喷丝组件形成的纺丝细流进入凝固浴中进行凝固成形后，得到初生复合纤维；

步骤2）：对所述初生复合纤维进行多级水洗、热牵伸处理；

步骤3）：对热牵伸处理后的初生复合纤维进行干燥处理，得到Si/C复合纤维原丝。