[发明专利]硅复合纳米纤维、硅复合纳米纤维膜及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种硅复合纳米纤维，其特征在于：包括碳硅复合芯层纤维和包覆所述碳硅复合芯层纤维的石墨烯包覆层；其中，所述碳硅复合芯层纤维包括碳纤维和至少嵌入在所述碳纤维内部的硅基材料颗粒。

2.根据权利要求1所述的硅复合纳米纤维，其特征在于：

所述碳硅复合芯层纤维的直径为200nm～3000nm；和/或

所述硅基材料颗粒与碳纤维的质量比不大于9：1；和/或

所述碳纤维的材料包括烧结碳、无定形碳、碳纳米管、碳纳米墙中的至少一种；和/或

所述硅基材料颗粒的硅基材料包括硅、氧化亚硅、二氧化硅、碳化硅、硅碳复合材料的至少一种；和/或

所述硅基材料颗粒的粒径为30nm～500nm。

3.根据权利要求1或2所述的硅复合纳米纤维，其特征在于：所述石墨烯包覆层的质量占所述硅复合纳米纤维总质量的5％～80％和/或

所述石墨烯包覆层的厚度为20nm～1000nm和/或

所述石墨烯包覆层包括呈立式生长在所述碳硅复合芯层纤维表面的石墨烯。

4.一种硅复合纳米纤维膜，其特征在于：由权利要求1-3任一项所述的硅复合纳米纤维形成的膜层。

5.一种硅复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将有机碳源与硅基材料颗粒配制成纺丝液；

将所述纺丝液进行纺丝处理，得到由所述有机碳源包覆所述硅基材料颗粒的有机碳源纤维，且所述有机碳源纤维形成有机碳源纤维膜；

对所述有机碳源纤维膜进行碳化处理，得到碳硅复合纤维形成的碳硅复合纤维膜；

在所述碳硅复合纤维膜上进行生长石墨烯处理，形成包覆所述碳硅复合纤维的石墨烯包覆层，得到硅复合纳米纤维膜。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述碳硅复合纤维膜上进行生长石墨烯处理的方法包括如下步骤：

将所述碳硅复合纤维膜进行铺展和固定处理后，采用化学气相沉积法在所述碳硅复合纤维膜上沉积生长石墨烯，并形成所述石墨烯包覆层；

和/或

所述纺丝处理为静电纺丝处理，且所述静电纺丝处理的条件如下：

针头内径为0.6～2.2mm；电压为20～30kV；温度为43～47℃、相对湿度为43～47％RH、推进速度为3～6mLh^-1、接收距离为10～20cm、接收器转速为100～500rpmmin^-1；

和/或

所述纺丝液中，所述有机碳源的质量浓度为5％～20％，所述硅基材料颗粒质量浓度为5％～50％，且所述硅基材料颗粒选用30～500nm；

和/或

所述有机碳源包括N-N二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、聚丙烯腈中的至少一种；

和/或

所述碳化处理包括如下步骤：

将所述有机碳源纤维膜进行铺展和固定处理后，在保护气氛中于800～1000℃温度下进行保温120～480min；

和/或

在对所述有机碳源纤维膜进行碳化处理的之前，还包括对所述有机碳源纤维膜进行预氧化处理，所述预氧化处理包括如下步骤：

将所述有机碳源纤维膜进行铺展和固定处理后，在含氧气的气氛中于255～300℃温度下进行保温120～480min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在形成的所述石墨烯包覆层中，生长有相对所述碳硅复合纤维立式生长的石墨烯，且所述化学气相沉积法沉积所述石墨烯的条件如下：

基体温度为600～1000℃，碳源包括乙醇、丙酮、苯、甲醇、异丙醇、正己烷中的至少一种，参与气体包括氩气、氢气、氢氩混合气中的至少一种，沉积时间为10～60min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述碳化处理过程中，是以2～10℃min^-1的升温速率升温至800～1000℃；

在所述预氧化处理过程中，是以1～5℃min^-1的升温速率升温至255～300℃。