Каптон — полиимидная пленка, используемая в гибких печатных схемах ( гибкой электронике ) и космических покрытиях , которые используются на космических кораблях, спутниках и различных космических приборах. Каптон , изобретенный корпорацией DuPont в 1960-х годах, остается стабильным в широком диапазоне температур: от 4 до 673 К (от -269 до +400 °C). Каптон используется в производстве электроники, космической технике, рентгеновском оборудовании и в 3D-печати. Его благоприятные тепловые свойства и характеристики дегазации позволяют его регулярно использовать в криогенных приложениях и в ситуациях, когда существует высокий вакуум.
Каптон был изобретен компанией DuPont в 1960-х годах. Каптон по сей день производится компанией DuPont. [1] [2]
Название Kapton является зарегистрированной торговой маркой компании EI du Pont de Nemours and Company. [3]
Синтез каптона является примером использования диангидрида в ступенчатой полимеризации . Промежуточный полимер, известный как полиаминовая кислота , растворим из-за сильных водородных связей с полярными растворителями , обычно используемыми в реакции. Замыкание кольца осуществляется при высоких температурах 470–570 К (200–300 °С).
Химическое название каптона K и HN — поли(4,4’-оксидифениленпиромеллитимид) . Его получают конденсацией пиромеллитового диангидрида (ПМДА) и 4,4'-оксидифениламина (ОДА).
Каптон Е представляет собой смесь двух диангидридов, ПМДА и диангидрида бифенилтетракарбоновой кислоты (БФДА), а также двух диаминов, ОДА и п-фенилендиамина (ППД). Компонент BPDA обеспечивает большую стабильность размеров и плоскостность в приложениях с гибкими схемами. Каптон E предлагает пониженный коэффициент теплового расширения (КТР), пониженное влагопоглощение и пониженный коэффициент гигроскопического расширения (CHE) по сравнению с каптоном H. [4]
Изолированный 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 Кельвина достаточно высока для столь низких температур, κ = 4,638×10-3 Тл 0,5678 Вт ·м -1 · К -1 . [7]
Каптоновая изоляция плохо стареет: исследование FAA показывает деградацию в жаркой и влажной среде [8] или в присутствии морской воды. Было обнаружено, что он имеет очень низкую устойчивость к механическому износу, в основном к истиранию жгутов кабелей из-за движения самолета. Многие модели самолетов должны были подвергнуться обширным модификациям проводки — иногда полностью заменяя всю проводку с каптоновой изоляцией — из-за коротких замыканий, вызванных неисправной изоляцией. Деградация и истирание каптоновой проволоки из-за вибрации и тепла стали причиной многочисленных аварий самолетов как с неподвижным, так и с вертолетным крылом, что привело к гибели людей. [9]
Согласно внутреннему отчету НАСА , «провода космического корабля «Шаттл » были покрыты изолятором, известным как каптон, который имел тенденцию со временем выходить из строя, вызывая короткие замыкания и, возможно, пожары». [10]
Благодаря широкому диапазону температурной стабильности и электроизоляционной способности каптоновая лента обычно используется в производстве электроники в качестве изоляционного и защитного слоя на чувствительных к электростатическому заряду и хрупких компонентах. Поскольку он может поддерживать температуру, необходимую для операции пайки оплавлением, его защита доступна на протяжении всего производственного процесса, а каптон часто все еще присутствует в конечном потребительском продукте.
Спускаемая ступень лунного модуля «Аполлон» и нижняя часть подъемной ступени, окружающая поднимаемый двигатель, были покрыты слоем алюминизированной каптоновой фольги для обеспечения теплоизоляции . Во время обратного пути с Луны астронавт Аполлона-11 Нил Армстронг отметил, что во время запуска ступени восхождения лунного модуля «Орел» он мог видеть «Каптон и другие части ступени LM, разбросанные по всей территории на большие расстояния». [11]
Лаборатория реактивного движения НАСА считает каптон хорошей пластиковой опорой для солнечных парусов из-за его долговечности в космической среде. [12]
Космический корабль НАСА «Новые горизонты» использовал каптон в инновационной конструкции изоляции « термос », чтобы поддерживать работу корабля при температуре от 283 до 303 К (от 10 до 30 °C) на протяжении более чем девяти лет его 5-метрового (33 астрономических единицы) путешествие на встречу с карликовой планетой Плутон 14 июля 2015 года. [13] Основной корпус покрыт легкой многослойной теплоизоляцией золотого цвета, которая удерживает тепло от работающей электроники и сохраняет тепло космического корабля. Тепловое покрытие из 18 слоев сетчатой ткани дакрона, зажатой между алюминизированной майларовой и каптоновой пленкой, также помогло защитить корабль от микрометеоритов . [14]
Солнцезащитный экран космического телескопа Джеймса Уэбба изготовлен из пяти листов каптона E, покрытых алюминием и легированным кремнием для отражения тепла от корпуса космического корабля. [15]
Экипаж Международной космической станции использовал каптоновую ленту для временного устранения медленной течи в космическом корабле «Союз» , прикрепленном к российскому сегменту орбитального комплекса, в августе 2018 года. [16] В октябре 2020 года ее снова использовали для временной герметизации течи в переходная камера служебного модуля «Звезда» МКС. [17]
Каптон также широко используется в качестве материала для окон, используемых со всеми видами источников рентгеновского излучения ( синхротронные лучи и рентгеновские трубки ) и детекторами рентгеновского излучения. Его высокая механическая и термическая стабильность, а также высокий коэффициент пропускания рентгеновских лучей делают его предпочтительным материалом. Он также относительно нечувствителен к радиационному повреждению . [18]
Каптон и АБС-пластик очень хорошо сцепляются друг с другом, что привело к широкому использованию каптона в качестве рабочей поверхности для 3D-принтеров . Каптон укладывается на плоскую поверхность, а АБС-пластик выдавливается на поверхность каптона. Печатаемая деталь из АБС-пластика не отсоединяется от платформы сборки по мере охлаждения и усадки, что является распространенной причиной сбоя печати из-за деформации детали. [19] Более долговечной альтернативой является использование поверхности из полиэфиримида . [20]
Исследователи разработали метод 3D-печати полиимидного материала, включая каптон. [21] Прекурсор каптона полиаминовая кислота смешивается с акрилатным сшивающим агентом и фотоинициатором, который может образовывать гель под воздействием ультрафиолетового света во время 3D-печати. Последующий нагрев детали, напечатанной на 3D-принтере, до 400 °C удаляет «жертвенные» поперечные связи и имитирует деталь, образующую каптон, с геометрией, напечатанной на 3D-принтере. [22]
Относительно высокая теплопроводность каптона при очень низких температурах, а также его хорошие диэлектрические качества и доступность в виде тонких листов сделали его любимым материалом в криогенике , поскольку он обеспечивает электрическую изоляцию при низких температурных градиентах.
Каптон регулярно используется в качестве изолятора в средах со сверхвысоким вакуумом из-за его низкой скорости газовыделения . [23]
Электропроводка с каптоновой изоляцией нашла широкое применение в гражданской и военной авиации, поскольку она легче других изоляторов и имеет хорошие изоляционные и температурные характеристики.
Компания DuPont изобрела полиимидную пленку Kapton® более 45 лет назад.
