水基生物聚合物/三氧化钨纳米粉浆料的机器人铸造作为碳化钨晶格前驱体的创新研究

这篇研究创新性地采用水基生物聚合物/三氧化钨(WO3)纳米粉浆料，通过直接墨水书写(DIW)/机器人铸造技术制备多孔碳化钨(WC)结构。研究验证了该技术在制造复杂形状WC组件中的可行性，重点分析了打印保真度、重现性和工艺稳健性。采用改良熔融沉积成型(FDM)打印机挤出浆料，经惰性气氛热处理后获得具有持续导电性的3D多孔WC结构，为结构电极材料开发提供了新思路。

　　

水基生物聚合物/三氧化钨纳米粉浆料的机器人铸造技术研究

摘要

碳化钨(WC)因其优异的机械性能、耐腐蚀性和导电性，在结构电极材料和催化剂领域展现出巨大潜力。本研究开发了一种基于水基生物聚合物和三氧化钨(WO₃)纳米颗粒的前驱体浆料(PCP)，通过改良熔融沉积成型(FDM)打印机进行机器人铸造，成功制备了复杂形状的多孔WC结构。

打印性能

研究系统评估了不同喷嘴尺寸(1.2mm、0.84mm和0.58mm)对打印精度的影响。0.84mm喷嘴在精度和稳定性方面表现最佳，而1.2mm喷嘴在顶部表面产生明显空隙。打印过程中最常见的故障是喷嘴堵塞和挤出不足，特别是使用较小喷嘴时。研究确定了50°为临界悬垂角度，超过此角度会出现明显缺陷。

干燥与碳化

样品经历自然干燥、脱水炉干燥和惰性气氛热处理三个阶段。Z方向收缩率最高达55%，明显高于X、Y方向的40%，这种各向异性收缩与脱气表面/体积比(SAD/V)相关。热处理后的样品XRD分析显示主要成分为WC，伴有少量W₂C。扫描电镜观察显示颗粒团聚形成的多孔结构，BET比表面积达67.03m²g^-1。

机电性能

压缩测试表明，打印喷嘴尺寸显著影响样品强度。0.85mm喷嘴制备的样品具有最高平均比强度(150kPa·mm³·mg^-1)，而1.2mm喷嘴样品强度降低约30%。值得注意的是，样品电阻在压缩过程中保持稳定，直至机械失效，这对结构电极应用至关重要。干燥过程中产生的裂纹会显著降低样品强度。

讨论

与现有WC增材制造技术相比，本研究采用的水基生物聚合物墨水具有环境友好、低毒性和生物相容性优势。通过详细分析各加工阶段的收缩行为，发现Z方向收缩明显高于X、Y方向，这对结构设计具有重要指导意义。研究还系统比较了不同W源(WO₃纳米颗粒与偏钨酸铵AMT)对浆料性能和最终结构的影响。

结论

研究证实了机器人铸造技术制备复杂形状多孔WC结构的可行性，为结构电极开发提供了新途径。0.84mm喷嘴在打印精度和样品强度方面表现最佳。样品表现出稳定的电机械性能，电阻在压缩过程中保持恒定直至结构失效。这项研究为开发兼具结构功能和电化学性能的材料提供了重要参考。