技术领域本发明属于新型的电触头制备技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的高耐磨高导热电触头及制备工艺。
背景技术：
电触头是电器开关、仪器仪表等高压电器的关键元件，承担着接通、承载、分断正常电流和故障电流的任务，电触头作为中高压开关设备中的核心部件，起着开关、导通的作用，其性能好坏直接影响高压电器的质量和使用寿命。电触头的特点是体积小、形状复杂，且要求品种多、规格全、性能高，因此对电触头制作材料也提出很高的要求，一般要求电触头材料具有良好的耐电磨损、抗熔焊、导电导热性、接触电阻小的性能，为满足以上条件，由于金属银具有较高的导电导热性且表面不易氧化，目前国内外绝大部分电触头采用银基材料来制备。研究表明，在电触头开闭过程中产生的电熔焊和电弧侵蚀现象极其复杂，在电弧能量、接触电压以及环境因素的综合作用下，触头表面发生加热、熔化、汽化、流动及凝固等物理冶金过程，导致触头表面产生熔融、软化、喷溅、流动和裂纹等现象，因此要求触头材料除了具备良好的物理性能外，还必须具有良好的化学性能和稳定性。为了提高银基材料的性能，人们开始在银基材料中添加其它金属及氧化物构成二元、三元及多元合金来提高其抗熔焊性和耐磨耐腐蚀性，例如AgCdO、AgMe、AgSnO2、AgZnO、AgMnO2、AgC等，其中AgCdO具有优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性、低而稳定的接触电阻等综合电性能，在整个电触头材料体系中占有重要的位置，但是其中Cd有毒，已被大多企业禁用，目前都在研究其替代材料。而其它金属及其氧化物在空气中易被氧化，其氧化物具有很低的电阻率，急剧增大了元件的接触电阻，使得材料在使用过程中容易发热，降低了器件工作的稳定性和可靠性，缩短了其使用寿命。目前这些触头材料的制备工艺方法主要是粉末冶金法、合金内氧化法、预氧化法以及化学包覆法等，这些制备工艺过程复杂，需要多套的设备及工艺，占地面积大，提高了生产成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的高耐磨高导热电触头，同时提供其制备工艺是本发明的另一发明目的。基于上述目的，本发明采取如下技术方案：一种基于3D打印技术的高耐磨高导热电触头，所述电触头的原料由Ag粉和纳米钻石烯粉混合得到。所述Ag粉和纳米钻石烯粉混合的重量比为98︰2～90︰10。所述Ag粉的粒度为250目以下，纳米钻石烯粉由平均粒度分别为20nm、50nm、250nm的三种粒度的纳米钻石烯按重量配比为10～20︰30～50︰40～60混合制成。所述的基于3D打印技术的高耐磨高导热电触头的制备方法，包括以下步骤：1）将纳米钻石烯粉与Ag粉按比例混合得到混合粉末；2）将混合粉末倒入3D打印机中的粉末缸中；3）在计算机中建立纳米钻石烯与Ag粉电触头三维模型，选择3D打印中的选择性激光烧结技术进行3D打印成型；4）打印结束后清扫表面的松散的粉末，即可制得成型坯件，剩余的粉末循环利用；5）成型坯件经再次烧结冷却即得。步骤3）中3D打印的具体操作为：先通过计算机建模软件建模，再采用分层加工、叠加成型完成打印；每一层的打印过程分为两步，第一步：在需要成型的区域喷洒一层粘接剂；第二步：喷洒一层均匀的混合粉末，粉末遇到粘接剂会迅速固化粘结，没有粘接剂的区域仍保持松散状态，这样在一层粘接剂一层粉末的交替下，实体模型被“打印”成型。打印过程所用粘接剂为耐高温导电银胶。该粘接剂液滴本身很小，不易扩散，且具有较强粘接性，最为关键的是导电银胶中含有金属银粉，不会引入其它杂质金属。所述选择性激光烧结技术是利用Nd：YAG激光器对粉末材料进行选择性烧结；选择性激光烧结技术的参数为：激光功率为11～15W，扫描速率为1600～2000mm/s，扫描间距为0.06～0.14mm，分层厚度为0.06～0.1mm。步骤5）中烧结的条件为：99.99%氮气保护，烧结温度为400～500℃，烧结时间为4～5h。采用阶梯式烧结工艺进行烧结，具体操作为：在整个烧结过程中升温速率为2℃/min，常温升温到80℃，保温30min，升温到120℃，保温30min，升温到180℃，保温30min，升温到240℃，保温30min，升温到400～500℃，保温4～5h后，结束烧结，自然冷却，即得成品。采用阶梯式烧结工艺进行烧结，其主要目的在于：将粘接剂中的有机物成分去除，并使得零件中的空隙中渗入填充物，进一步提高零件的强度。在激光烧结过程中，热量完全是由激光的能量和粉末预热产生的，而各种工艺参数决定着激光的功率密度，最重要的工艺参数为激光功率、扫描速率、扫面间距以及分层厚度等。激光功率密度由激光功率和光斑大小决定的，在固体粉末激光选择烧结中，激光功率密度和扫面速率决定激光能对粉末加热的温度和时间，如果激光功率密度低而扫面速率快，导致粉末不能烧结，制造出的零件原型强度低或不能使用，如果激光功率密度高而扫描速率低，会引起粉末汽化，烧结密度不仅不会增加，还会使得烧结面凹凸不平，影响颗粒与颗粒、层与层之间的连接，而扫描间距的大小则影响粉末的总能量的分布，并对粉末烧结的质量有重要的影响，而分层厚度的大小也影响粉末烧结的质量，分层厚度过大，烧结不完全，造成零件原型强度低，分层厚度过小，容易造成烧结过度，使得烧结面凹凸不平，影响颗粒之间、层层之间的连接，对烧结质量有着很大的影响。而激光器的选择对烧结质量也有很大的影响，激光器一般由两种，CO2激光器和Nd:YAG激光器，CO2激光器的波长为10.6μm，Nd:YAG激光器的波长为1.06μm，在此选择Nd:YAG激光器而不选择CO2激光器是由于金属粉末对CO2激光器发出的激光反射率比Nd:YAG激光器发出的激光发射率大的多。因此本发明选择Nd:YAG激光器，经过实验并最终确定激光功率为11～15W，扫描速率为1600～2000mm/s，扫描间距为0.06～0.14mm，分层厚度为0.06～0.1mm。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、采用纳米钻石烯与Ag结合，尤其是采用不同粒度的纳米钻石烯和Ag粉混合，可使得纳米钻石烯能够均匀分散在银基金属内部，保证复合材料的性能更加稳定；制备得到的电触头具有高耐磨、高导热的特点；导电银胶的加入可使复合材料同时具有良好的导电性；2、采用3D打印技术具有的优势：打印过程与电触头结构的复杂程度无关，且材料利用率高，未烧结的粉体材料可重复利用；同时无需支撑结构；占地面积小，可降低生产成本；加工速率快；对环境污染小；3、采用本发明的3D打印工艺得到的成品具有强度高、化学性能好且稳定的特点；4、本发明在打印过程中采用粘结剂和粉末交替打印的方式可以节省打印原材料，打印结束后未使用的粉末等原材料仍可再次使用，且对打印机不存在影响，若将粘接剂与粉末混合后再打印，存在浪费大量原材料的缺陷，并且由于粘接剂的存在会使得粉末粘接在打印机送料缸上，打印结束后还需对其进行清除，且在打印过程中送料也不方便，也会粘接在送料缸上，这对打印质量存在着一定地影响，如会使得某区域送料不够，造成打印强度不够，最终影响成品质量及使用效果。附图说明：图1是本发明中3D打印技术的原理示意图；图中1、镭射器，2、XY偏转镜，3、模型，4、铺粉辊，5、送粉缸，6、积粉缸，7、活塞；图2是对不同银含量的复合材料进行密度和硬度的测试结果；图3是采用十字交叉法（属于伏安法）对不同纳米钻石烯含量时复合材料的接触电阻测量结果；图4是采用十字交叉法测量接触电阻原理图；如中8、第一试样，9、第二试样，10、电压表，11、电流表，12、稳流器，13、直流电源，14、信号发生器，15、电阻，16、计数器；图5是电磨损试验仪进行电磨损率测试原理图；图6是不同纳米钻石烯含量对电磨损率的影响结果。具体实施方式下面实施例只为进一步说明本发明，不以任何形式限制本发明。需要说明的是，本发明实施例中所述的Ag含量及纳米钻石烯含量均应理解为其各自占Ag粉和纳米钻石烯粉总重量的百分比含量。实施例1一种基于3D打印技术的高耐磨高导热电触头，所述电触头的原料由Ag粉和纳米钻石烯粉混合得到。所述Ag粉和纳米钻石烯粉混合的重量比为98︰2。所述Ag粉的粒度为250目以下，纳米钻石烯粉由平均粒度分别为20nm、50nm、250nm的三种粒度的纳米钻石烯按重量配比为10︰30︰40混合制成。其制备方法，包括以下步骤：1）将纳米钻石烯粉与Ag粉按比例混合得到混合粉末；2）将混合粉末倒入3D打印机中的粉末缸中；3）在计算机中建立纳米钻石烯与Ag粉电触头三维模型，选择3D打印中的选择性激光烧结技术进行3D打印成型；选择性激光烧结技术是利用Nd：YAG激光器对粉末材料进行选择性烧结；选择性激光烧结技术的参数为：激光功率为11W，扫描速率为1600mm/s，扫描间距为0.06mm，分层厚度为0.06mm。3D打印的具体操作为：先通过计算机建模软件建模，再采用分层加工、叠加成型完成打印；每一层的打印过程分为两步，第一步：在需要成型的区域喷洒一层粘接剂，所用粘接剂为耐高温导电银胶；第二步：喷洒一层均匀的混合粉末，粉末遇到粘接剂会迅速固化粘结，没有粘接剂的区域仍保持松散状态，这样在一层粘接剂一层粉末的交替下，实体模型被“打印”成型；4）打印结束后清扫表面的松散的粉末，即可制得成型坯件，剩余的粉末循环利用；5）成型坯件经再次烧结冷却即得；烧结的条件为：99.99%氮气保护，烧结温度为400℃，烧结时间为5h。采用阶梯式烧结工艺进行烧结，具体操作为：在整个烧结过程中升温速率为2℃/min，常温升温到80℃，保温30min，升温到120℃，保温30min，升温到180℃，保温30min，升温到240℃，保温30min，升温到400℃，保温5h后，结束烧结，自然冷却，即得成品。实施例2一种基于3D打印技术的高耐磨高导热电触头，所述电触头的原料由Ag粉和纳米钻石烯粉混合得到。所述Ag粉和纳米钻石烯粉混合的重量比为90︰10。所述Ag粉的粒度为250目以下，纳米钻石烯粉由平均粒度分别为20nm、50nm、250nm的三种粒度的纳米钻石烯按重量配比为20︰50︰60混合制成。其制备方法，包括以下步骤：1）将纳米钻石烯粉与Ag粉按比例混合得到混合粉末；2）将混合粉末倒入3D打印机中的粉末缸中；3）在计算机中建立纳米钻石烯与Ag粉电触头三维模型，选择3D打印中的选择性激光烧结技术进行3D打印成型；选择性激光烧结技术是利用Nd：YAG激光器对粉末材料进行选择性烧结；选择性激光烧结技术的参数为：激光功率为15W，扫描速率为2000mm/s，扫描间距为0.14mm，分层厚度为0.1mm。3D打印的具体操作为：先通过计算机建模软件建模，再采用分层加工、叠加成型完成打印；每一层的打印过程分为两步，第一步：在需要成型的区域喷洒一层粘接剂，所用粘接剂为耐高温导电银胶；第二步：喷洒一层均匀的混合粉末，粉末遇到粘接剂会迅速固化粘结，没有粘接剂的区域仍保持松散状态，这样在一层粘接剂一层粉末的交替下，实体模型被“打印”成型；4）打印结束后清扫表面的松散的粉末，即可制得成型坯件，剩余的粉末循环利用；5）成型坯件经再次烧结冷却即得；烧结的条件为：99.99%氮气保护，烧结温度为500℃，烧结时间为4h。采用阶梯式烧结工艺进行烧结，具体操作为：在整个烧结过程中升温速率为2℃/min，常温升温到80℃，保温30min，升温到120℃，保温30min，升温到180℃，保温30min，升温到240℃，保温30min，升温到500℃，保温4h后，结束烧结，自然冷却，即得成品。实施例3一种基于3D打印技术的高耐磨高导热电触头，所述电触头的原料由Ag粉和纳米钻石烯粉混合得到。所述Ag粉和纳米钻石烯粉混合的重量比为96:4。所述Ag粉的粒度为250目以下，纳米钻石烯粉由平均粒度分别为20nm、50nm、250nm的三种粒度的纳米钻石烯按重量配比为15︰35︰50混合制成。其制备方法，包括以下步骤：1）将纳米钻石烯粉与Ag粉按比例混合得到混合粉末；2）将混合粉末倒入3D打印机中的粉末缸中；3）在计算机中建立纳米钻石烯与Ag粉电触头三维模型，选择3D打印中的选择性激光烧结技术进行3D打印成型；选择性激光烧结技术是利用Nd：YAG激光器对粉末材料进行选择性烧结；选择性激光烧结技术的参数为：激光功率为13W，扫描速率为1800mm/s，扫描间距为0.10mm，分层厚度为0.08mm。3D打印的具体操作为：先通过计算机建模软件建模，再采用分层加工、叠加成型完成打印；每一层的打印过程分为两步，第一步：在需要成型的区域喷洒一层粘接剂，所用粘接剂为耐高温导电银胶；第二步：喷洒一层均匀的混合粉末，粉末遇到粘接剂会迅速固化粘结，没有粘接剂的区域仍保持松散状态，这样在一层粘接剂一层粉末的交替下，实体模型被“打印”成型；4）打印结束后清扫表面的松散的粉末，即可制得成型坯件，剩余的粉末循环利用；5）成型坯件经再次烧结冷却即得；烧结的条件为：99.99%氮气保护，烧结温度为450℃，烧结时间为4.5h。采用阶梯式烧结工艺进行烧结，具体操作为：在整个烧结过程中升温速率为2℃/min，常温升温到80℃，保温30min，升温到120℃，保温30min，升温到180℃，保温30min，升温到240℃，保温30min，升温到450℃，保温4.5h后，结束烧结，自然冷却，即得成品。效果实验以下效果实验中所有的实验曲线均是在一定的前提条件下进行的，即其它因素不变，只有一个因素在变。1、不同银含量的复合材料的密度和硬度对不同银含量的复合材料进行密度和硬度的测试，结果见图2所示，图中a：硬度曲线、b：密度曲线。从图2中可知，随着银含量的降低(纳米钻石烯含量的增大)，复合材料的密度呈下降趋势，而HV硬度随之升高，这说明复合材料的强度、耐磨性随之升高。纳米钻石烯的导热率很高，随着纳米钻石烯增大，复合材料的导热率也随之升高，即提高了复合材料的散热效率。2、不同纳米钻石烯含量（占Ag粉和纳米钻石烯粉总量的百分数）与接触电阻、接触时间的变化关系采用十字交叉法（属于伏安法）测量不同纳米钻石烯含量时复合材料的接触电阻。其工作原理如附图4所示，电流从第一试样到第二试样，测出电压V，从而得到接触电阻R=V/I。结果见图3所示。图3中，a：纳米钻石烯的含量0%、b：纳米钻石烯的含量10%、c：纳米钻石烯的含量15%。从图3中可知，随着接触时间的延长，接触电阻逐渐减小，且接触电阻趋于一致；随着纳米钻石烯含量的增加，接触电阻有所增大，这主要是由于纳米钻石烯不导电原因造成的，但是实验发现，在一定纳米钻石烯含量范围内，最后趋于稳定的接触电阻与不含纳米钻石烯的接触电阻相差不大，这说明在纳米钻石烯含量一定范围内，复合材料的导电性良好，纳米钻石烯对其导电性能影响不大。3、复合材料中不同纳米钻石烯含量对电磨损率的影响电磨损率决定着复合材料制备的电触头的使用寿命。使用电磨损试验仪进行电磨损率测试，其测试原理（如附图5所示）是通过继电器两触头的多次分合，可以使电触头发生磨损，通过测量电磨损前后的厚度变化可以测量出电磨损率。图6是在复合材料中纳米钻石烯含量不同时对电磨损率的影响。从图6可知，电磨损率在接触电流一定（即接触电流为0.2A、0.4A、0.6A、0.8A、1A）的条件下随着纳米钻石烯含量的增大明显减小，且接触电流不同的条件下，电磨损率也是随着纳米钻石烯含量的增大而减小的，当纳米钻石烯的含量达到一定数值后，电磨损率变化很小，且不同接触电流条件下电磨损率比较接近，说明对接触电流不敏感，即随着接触电流的增大，电磨损率几乎不变，这说明提高纳米钻石烯的含量可以提高复合材料耐大接触电流的能力，说明复合材料的性能稳定，这对延长电触头使用寿命长有益。对以上效果实验数据进行综合分析，当Ag粉和纳米钻石烯粉混合的重量比为98︰2～90︰10时，（即Ag粉占Ag粉和纳米钻石烯粉总重量的90%～98%）时，综合性能良好，即制备得到的电触头具有高耐磨、高导热和良好的导电性。