Каптон — это полиимидная пленка, используемая в гибких печатных платах ( гибкая электроника ) и космических одеялах , которые используются на космических кораблях, спутниках и различных космических приборах. Изобретенный корпорацией DuPont в 1960-х годах, каптон остается стабильным в широком диапазоне температур: от 4 до 673 К (от −269 до +400 °C). Каптон используется в производстве электроники, космических приложениях, в рентгеновском оборудовании и в приложениях 3D-печати. Его благоприятные термические свойства и характеристики дегазации приводят к его регулярному использованию в криогенных приложениях и в ситуациях, когда существуют среды с высоким вакуумом.
Каптон был изобретен компанией DuPont в 1960-х годах. Каптон производится компанией DuPont и по сей день. [1] [2]
Название Kapton является зарегистрированной торговой маркой EI du Pont de Nemours and Company. [3]
Синтез Каптона является примером использования диангидрида в ступенчатой полимеризации . Промежуточный полимер, известный как поли(амидокислота) , растворим из-за сильных водородных связей с полярными растворителями, обычно используемыми в реакции. Замыкание кольца осуществляется при высоких температурах 470–570 К (200–300 °C).
Химическое название Kapton K и HN — поли (4,4'-оксидифенилен-пиромеллитимид) . Он производится путем конденсации пиромеллитового диангидрида (PMDA) и 4,4'-оксидифениламина (ODA).
Kapton E представляет собой смесь двух диангидридов, PMDA и диангидрида бифенилтетракарбоновой кислоты (BPDA), и двух диаминов, ODA и п-фенилендиамина (PPD). Компонент BPDA добавляет большую размерную стабильность и плоскостность в гибких схемных приложениях. Kapton E предлагает уменьшенный коэффициент теплового расширения (CTE), уменьшенное поглощение влаги и уменьшенный коэффициент гигроскопического расширения (CHE) по сравнению с Kapton H. [4]
В изоляции каптон остается стабильным в широком диапазоне температур: от 4 до 673 К (от −269 до +400 °C). [5] [6]
Теплопроводность каптона при температурах от 0,5 до 5 Кельвинов довольно высока для таких низких температур, κ = 4,638×10−3 Тл 0,5678 Вт · м −1 ·К −1 . [7]
Изоляция из каптона плохо стареет: исследование FAA показывает деградацию в жаркой, влажной среде [8] или в присутствии морской воды. Было обнаружено, что она имеет очень низкую устойчивость к механическому износу, в основном к истиранию внутри кабельных жгутов из-за движения самолета. Многие модели самолетов должны были пройти обширные изменения в электропроводке — иногда полностью заменяя всю проводку с изоляцией из каптона — из-за коротких замыканий, вызванных неисправной изоляцией. Деградация и истирание проводов из каптона из-за вибрации и тепла были причастны к многочисленным крушениям как самолетов с фиксированным крылом, так и вертолетов, со смертельным исходом. [9] The New York Times , ссылаясь на документ NASA OIG , сообщила в 2005 году, что кабели с изоляцией из каптона на космическом челноке «имели тенденцию со временем выходить из строя, вызывая короткие замыкания и, возможно, пожары». Во время миссии STS-93 электрические замыкания на изоляции из каптона вывели из строя два контроллера двигателей и едва не стали причиной катастрофы. [10]
Благодаря широкому диапазону температурной стабильности и электроизоляционным свойствам лента Kapton обычно используется в электронном производстве в качестве изоляционного и защитного слоя на чувствительных к электростатике и хрупких компонентах. Поскольку она может выдерживать температуру, необходимую для пайки оплавлением, ее защита доступна на протяжении всего производственного процесса, и Kapton часто все еще присутствует в конечном потребительском продукте.
Ступень нисходящего модуля лунного модуля «Аполлон» и нижняя часть ступени подъема, окружающая двигатель подъема, были покрыты одеялами из алюминизированной фольги Kapton для обеспечения теплоизоляции . Во время обратного путешествия с Луны астронавт Apollo 11 Нил Армстронг заметил, что во время запуска ступени подъема лунного модуля Eagle он мог видеть, как «Kapton и другие части ступени LM разлетались по всей области на большие расстояния». [11]
Лаборатория реактивного движения НАСА рассмотрела каптон как хорошую пластиковую опору для солнечных парусов из-за его долговечности в космической среде. [12]
Космический корабль NASA New Horizons использовал Kapton в инновационной конструкции изоляции « Термос-бутылка », чтобы поддерживать работу корабля при температуре от 283 до 303 К (от 10 до 30 °C) на протяжении более чем девятилетнего, 5-тераметрового (33 астрономических единицы) путешествия к встрече с карликовой планетой Плутон 14 июля 2015 года. [13] Основной корпус покрыт легкой, золотистого цвета, многослойной теплоизоляцией, которая удерживает тепло от работающей электроники, чтобы поддерживать тепло космического корабля. Тепловое покрытие из 18 слоев сетчатой ткани Dacron , зажатой между алюминизированным майларом и пленкой Kapton, также помогло защитить корабль от микрометеоритов . [14]
Солнцезащитный экран космического телескопа имени Джеймса Уэбба изготовлен из пяти листов Kapton E, покрытых алюминием и легированным кремнием для отражения тепла от корпуса космического корабля. [15]
Экипаж на борту Международной космической станции использовал ленту Kapton для временного устранения медленной утечки в космическом корабле «Союз» , прикрепленном к российскому сегменту орбитального комплекса в августе 2018 года. [16] Она была снова использована в октябре 2020 года для временной герметизации утечки в переходной камере служебного модуля «Звезда» МКС. [17]
Каптон также широко используется в качестве материала для окон, используемых со всеми видами источников рентгеновского излучения ( линиями синхротронного пучка и рентгеновскими трубками ) и детекторами рентгеновского излучения. Его высокая механическая и термическая стабильность, а также высокая пропускаемость рентгеновских лучей делают его предпочтительным материалом. Он также относительно нечувствителен к радиационному повреждению . [18]
Kapton и ABS очень хорошо прилипают друг к другу, что привело к широкому использованию Kapton в качестве поверхности для сборки 3D-принтеров . Kapton укладывается на плоскую поверхность, а ABS выдавливается на поверхность Kapton. Деталь из ABS, которая печатается, не отсоединится от платформы для сборки, поскольку она остывает и сжимается, что является распространенной причиной сбоя печати из-за деформации детали. [19] Более прочной альтернативой является использование поверхности из полиэфиримида . [20]
Исследователи разработали метод 3D-печати полиимидного материала, включая Kapton. [21] Полиамидная кислота, предшественник Kapton, смешивается с акрилатным сшивающим агентом и фотоинициатором, который может образовывать гель при воздействии ультрафиолетового света во время 3D-печати. Последующий нагрев 3D-печатной детали до 400 °C удаляет жертвенные сшивки и имидизирует деталь, формируя Kapton с 3D-печатной геометрией. [22]
Относительно высокая теплопроводность каптона при очень низких температурах, а также его хорошие диэлектрические свойства и доступность в виде тонких листов сделали его популярным материалом в криогенике , поскольку он обеспечивает электроизоляцию при низких температурных градиентах.
Каптон регулярно используется в качестве изолятора в условиях сверхвысокого вакуума из-за его низкой скорости газовыделения . [23]
Электропроводка с каптоновой изоляцией широко используется в гражданских и военных самолетах, поскольку она легче других изоляторов и имеет хорошие изоляционные и температурные характеристики.
DuPont изобрела полиимидную пленку Kapton® более 45 лет назад
