熔絲制造（FFF）是一種簡單且經(jīng)濟高效的增材制造技術，與傳統(tǒng)制造方法相比，由于其突出的制造復雜幾何樣品的能力和免模具機加工的特點，受到越來越多的關注，基于FFF的增材制造是自由形式制造技術之一，它通過逐層構(gòu)建材料熔體來生產(chǎn)樣本，并已廣泛應用于熱塑性聚合物和聚合物復合材料以及多種材料。

MAX相作為一組層狀三元碳化物和氮化物，其具有金屬和陶瓷材料的綜合性能，還有優(yōu)異的化學、物理、電學、熱學和機械性能而引起了越來越多的關注，而且基于擠出的熔絲制造（FFF）和3D打印技術制造了一種新型Ti3AlC2基綠色部件。

Ti3AlC2的形貌、導熱性、導電性、熱穩(wěn)定性、電磁干擾（EMI）屏蔽效能（SE）和機械性能與粘合劑的體積比為1:1進行了研究，測得拉伸強度和壓縮強度以及伸長率分別為8.29MPa和18.20%、44.90MPa和33.76%，長絲的形態(tài)表明Ti3AlC2粉末與熱塑性粘合劑良好粘合。

更重要的是，該復合材料表現(xiàn)出良好的導熱性、導電性以及優(yōu)異的EMI屏蔽效能，作為導體、散熱、抗靜電、EMI屏蔽材料在實際應用中具有巨大的潛力，Ti3AlC2的成功制備通過基于FFF的3D打印技術實現(xiàn)基于MAX相的復合材料，有利于開發(fā)其他具有復雜幾何形狀和附加功能的MAX相產(chǎn)品。

庫馬爾等人，驗證了3D打印多材料樣品比混合材料樣品，表現(xiàn)出更好的機械強度和形態(tài)特征，除了熱塑性聚合物之外，它還能夠通過與熱塑性粘合劑復合來打印非聚合物粉末，這些粘合劑可以通過溶劑、催化脫脂和隨后的燒結(jié)過程去除，以獲得致密的樣品。

其實樣品可以在由計算機輔助軟件設計出任何幾何形狀的粘合劑熔點，這種基于長絲的增材制造技術已應用于制造各種材料，到目前為止，已經(jīng)成功打印了具有各種粘合劑的鋼、硬質(zhì)金屬、金屬陶瓷、鐵氧體、高溫合金和陶瓷絲。

另外基于金屬和陶瓷的基于FFF的印刷可行性，典型的Mn+1AXn(MAX)相Ti3AlC2由于其優(yōu)異的優(yōu)點，被選為打印功能部件的候選者，MAX相是一組獨特的三元碳化物或氮化物陶瓷，具有層狀晶體結(jié)構(gòu)。

MAX相中由混合共價-離子-金屬結(jié)構(gòu)，組成的化學鍵使其具有獨特的性能，這種MAX相同時具有金屬和陶瓷的優(yōu)異性能，如良好的導電性和導熱性、易加工性、優(yōu)異的抗熱震性、低摩擦系數(shù)、高熱穩(wěn)定性和高溫抗氧化性。

并且其電阻率較低，通常小于相應的二元過渡金屬碳化物或氮化物，室溫下MAX相的電導率和熱導率約為106Ω-1·m-1，達到40W·m-1·K-1左右，遠高于TiC和TiC，這些MAX相通常用于高溫場合、核工程和航空航天工業(yè)。

而目前MAX相的工作主要集中在，各種燒結(jié)技術制造產(chǎn)品以及將MAX相剝離成2D薄MXene片材以制造先進的納米復合材料，最近的一些出版物已將Ti3AlC2用作不同基體中的強化和功能填料，低負載量的Ti3AlC2粉末已被摻入。

通過強界面層的負載轉(zhuǎn)移來強化金屬（Al、Cu），增韌鄰苯二甲腈（PN）樹脂，賦予環(huán)氧樹脂導電性，賦予聚酰亞胺和碳化硅導熱性，迄今為止，幾乎沒有任何通過熔絲制造技術打印Ti3AlC2粉末的出版物被報道。

值得一提的是，Ti3AlC2的低密度（4.2g·cm-3）也使其成為聚合物復合材料中理想的功能組件，選擇由熱塑性彈性體和接枝極性組分的商業(yè)粘合劑，因為它具有良好的熱加工性能、高伸長率以及對極性熱塑性塑料、金屬和陶瓷的優(yōu)異粘合力，有利于熔絲制造和3D打印具有改進性能的綠色部件。bvty寶威VIP

因此，Ti3AlC2以這種熱塑性彈性體為粘合劑，基于復合材料首先被擠出成長絲，然后打印成生坯，該生件不僅可以直接用作具有設計形狀的功能材料，另一方面還可以通過隨后的去除粘合劑，以及隨后的脫脂和燒結(jié)程序進行進一步加工。

為此，我們的研究項目首次對形態(tài)、導熱導電性和EMI屏蔽效能進行了研究，由于大多數(shù)聚合物都是電絕緣體和熱絕緣體，Ti3AlC2的含量可以調(diào)節(jié)以獲得具有合適導熱性和導電性的聚合物復合材料，這種具有良好電/熱性能的復合材料在抗靜電、導電、電磁干擾屏蔽和散熱等領域具有廣闊的前景。

MAX相(Ti3AlC2)粉末由中國科學院金屬研究所(IMR)提供，Ti3AlC2粉末是通過將TiAl和TiC粉末以1:1.9的摩爾比壓實熱壓成塊狀，然后通過球磨粉碎成粉末，該粘合劑由熱塑性彈性體和接枝有極性組分的聚烯烴的商用粘合劑組成，以提高對不同種類粉末的粘合力，MAX相與粘合劑的比例為1:1（體積%）。

不僅如此，Ti3AlC2粉末和粘合劑在連接到扭矩流變儀的單個擠出機（LSJ20，塑料擠出機頭，D=20mm，L/D=25:1）中復合，混合前，粉末和粘合劑在80°C的烘箱中干燥24小時，擠出過程中加熱區(qū)和噴嘴模具的溫度分別設置為190、190、200和200°C。

螺桿的轉(zhuǎn)速設定為60rpm，在相同的擠出條件下重復配混兩次以獲得均勻的混合物，然后將擠出的線切割成粒料，用于隨后的熔絲制造。

同時使用VD23真空干燥室，將原料在80°C下干燥24小時，以避免長絲制造和印刷過程中出現(xiàn)缺陷，使用擠出機生產(chǎn)長絲是不可能的，因為生產(chǎn)的原料量低于填充室所需的最小量，因此，原料的長絲生產(chǎn)是在高壓毛細管流變儀Rheograph2002中進行的。

其模具直徑為1.75mm，長度為30mm，長絲在200°C的溫度、193.451/s的恒定剪切速率和0.9mm/s的活塞（直徑12mm）速度下生產(chǎn)，最后，長絲在冷卻至室溫時被傳送到由聚四氟乙烯（PTFE）制成的傳送帶上。

關于綠色零件3D打印，通過FFF方法對綠色樣品進行3D打印，小型桌面3D打印機，采用E3DV6型HotEnd進行改裝，使用0.6毫米噴嘴在250℃的溫度下進行打印；床溫設定為100℃；并且打印速度設置為最大30mm/s，成品部件被小心地從玻璃平臺上取下，為下一步做好準備。

而且，在掃描電子顯微鏡（SEM），并在20kV電壓下觀察MAX相的形貌和MAX相/粘合劑生坯的橫截面，拉伸性能在萬能試驗機上以3mm/min的加載速率進行測試，測試了三個啞鈴形樣品，其標距為50毫米，壓縮試驗使用三個直徑為6mm（直徑/高度>0.4）的圓柱形樣品。

為了保證樣品的穩(wěn)定性，選擇加載速率0.5mm/min進行壓縮試驗，當負載力不再增加時，壓縮測試中斷，拉伸和壓縮試驗分別按照GB/T1040.2-2006和GB/T1041-2008標準進行，2.MAX相/粘合劑復合材料(D=50mm)的電導率，在室溫下使用兩個銅電極的雙探針測量進行測量。

而使用矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA），采用波導法采集了復合材料，在8.2-12.4GHz頻率范圍內(nèi)的電磁參數(shù)，反射功率（S11或S22）和傳輸功率（S21或S12）的S參數(shù)用于計算屏蔽效能(SE)，導熱系數(shù)（k）在導熱儀上通過ASTME1530防護熱流計方法進行測試，準備直徑為50mm的圓盤用于測量。

除此之外，在X射線衍射儀上檢測Ti3AlC2粉末的特征衍射圖，位于9.6°、34.1°、39.1°、41.7°和60.1°處的典型峰分別對應于(002)、(101)、(104)、(105)和(110)平面，所有這些峰都與Jade6.5軟件中從JCPDS(52-0875)中提取的峰很好地匹配。

Ti3AlC2粘合劑絲和3D打印生坯的橫截面形貌，很明顯Ti3AlC2粉末在粘結(jié)劑體系中良好分散，與粘結(jié)劑緊密粘合，Ti3AlC2的致密排列層甚至可以在更高的放大倍率下區(qū)分，此外，Ti3AlC2顆粒以隨機方向均勻分布，表明Ti3AlC2具有各向同性特征，粘合劑長絲。

而且其與粘合劑之間連接良好的界面，是后續(xù)打印過程和復合材料最終性能的良好指標，每層之間的邊界很容易看到，這是基于長絲的打印方法的特點，層寬約為0.19毫米，很顯然，外表面各層之間存在間隙。

該間隙在液氮中斷裂表面的橫截面圖像中消失，薄Ti3AlC較高放大倍率，表明Ti3AlC2/粘合劑系統(tǒng)具有良好的印刷適性。

其實粘合劑的熔點范圍對于確定熔融共混、長絲制造和后續(xù)3D打印過程中的復合溫度非常重要，所使用的粘合劑是具有優(yōu)異加工性能的熱塑性彈性體，140至170℃的寬熔化溫度范圍，純Ti3AlC2粉末在加熱、冷卻、加熱過程中不存在由吸熱、放熱引起的峰。

然而，MAX相粘合劑復合材料的DSC曲線存在明顯差異，Ti3AlC2熔化溫度范圍/binder比純粘合劑降低了10°C(140-160°C)，此外，第一次和第二次加熱的熔化峰值溫度也分別降至153.9和154.8°C，這可能是由于Ti3AlC2粉末破壞了粘合劑的分子鏈。

Ti3AlC2粘合劑的熱穩(wěn)定性通過加熱過程中的重量，從TGA曲線中，可以跟蹤粘合劑的分解行為，這是成型-脫脂-燒結(jié)(SDS)過程中最高熱加工溫度（擠出溫度和印刷溫度），以及后續(xù)脫脂溫度的指標。

同時，可以根據(jù)剩余重量百分比評價粘合劑和填料的含量，根據(jù)原料中SS316L體積%，計算并比較粘合劑降解后，600°C原料長絲中SS316L重量（%）的理論值與最終實驗值（wt.%），Ti3AlC2是一種對溫度表現(xiàn)出良好穩(wěn)定性的化合物。

不同的是，粘合劑在250°C以上開始分解，在490°C時幾乎完全降解（殘留量為0.42%），因此，Ti3AlC2/粘結(jié)劑復合材料在600℃下的剩余重量可以被視為MAX相(82.56wt％)，該值接近我們設計的成分（81.93wt.%；50vol.%）。

除此之外，最大降解率從純粘結(jié)劑的1.61%/°C顯著降低至穩(wěn)定Ti3AlC2復合材料的0.21%/°C，這意味著粘結(jié)劑的降解率由于夾雜物而降低，鈦3AlC2，這表明Ti3AlC2和粘結(jié)劑之間存在良好的界面粘附力。

而導熱導電率和EMI屏蔽效能，Ti3AlC2粉末因其出色的綜合性能，成為隔熱電絕緣聚合物的首選功能填料，正如所預期的，其粘合劑生坯部件表現(xiàn)出良好的導電性和導熱性，厚度為2.92mm和0.21S/m時，SE值和體積電導率約為38.23dB，滿足抗靜電和EMI屏蔽應用的要求。

由計算的反射率和吸收系數(shù)可見，電磁波的反射對總屏蔽效能起主導作用，占總屏蔽系數(shù)的80%以上，該機制與金屬等導電屏蔽材料一致，此外，復合材料在室溫下還表現(xiàn)出良好的導熱系數(shù)，達到1.75W/m·K，這些出色的性能歸因于Ti3AlC2粉末的連續(xù)網(wǎng)絡，形成了連接的導熱和導電路徑。

其中機械性能，填料粘合劑的機械性能影響其后續(xù)加工，尤其是印刷性能，Ti3AlC2/粘結(jié)劑復合材料的拉伸行為，強度逐漸增加直至樣品在拉伸試驗下斷裂，顯然，在應力-應變曲線上沒有觀察到預期的屈服應力，測得復合材料的極限拉伸強度和斷裂伸長率，分別為8.29±1.64MPa和18.20±2.16%。

復合材料的力學性能，不僅與復合材料中填料的含量和尺寸有關，還與填料的種類有關，Ti3AlC2拉伸試驗值粘合劑，介于陶瓷和不銹鋼復合材料之間，但高于粘合劑體積分數(shù)為55%的Ti6Al4V粘合劑的強度和伸長率。

其實Ti3AlC2粉末表現(xiàn)出良好的細絲制造能力和適印性，Ti3AlC2粉末均勻分散在粘結(jié)劑中，與粘結(jié)劑具有良好的界面結(jié)合力。

體積比為1:1的復合材料的電導率、導熱率和電磁干擾屏蔽效能分別約為0.21S/m、1.75W/m·K和38.23dB。