Введение

Пластиковая пленка, используемая в условиях низких и высоких температур, – это полиимидная пленка, применяемая в гибких печатных схемах (гибкой электронике) и термоизоляционных экранах, используемых на космических аппаратах, спутниках и различном космическом оборудовании. Разработанная компанией DuPont в 1960-х годах, пленка Каптон сохраняет стабильность в широком диапазоне температур и используется в производстве электроники, в космической отрасли, в рентгеновском оборудовании и в приложениях 3D-печати. Благодаря своим благоприятным тепловым свойствам и низкому уровню газовыделения, она регулярно применяется в криогенных установках и в условиях высокого вакуума.

История

Каптон был изобретен компанией DuPont в 1960-х годах. Каптон продолжает производиться компанией DuPont и по сей день. Название Kapton является зарегистрированным товарным знаком компании E. I. du Pont de Nemours and Company.

Химия и варианты

Синтез Каптона является примером использования диангидрида в ступенчатой полимеризации. Промежуточный полимер, известный как поли(амидокислота), растворим благодаря сильным водородным связям с полярными растворителями, обычно используемыми в реакции. Химическое название Kapton K и HN – поли(4,4'-оксидифениленпиромеллитимид). Он производится в результате конденсации пиромеллитового диангидрида (PMDA) и 4,4'-оксидифениламина (ODA). Kapton E представляет собой смесь двух диангидридов, PMDA и бифенилтетракарбоновой кислоты диангидрида (BPDA), и двух диаминов, ODA и п-фенилендиамина (PPD). Компонент BPDA обеспечивает повышенную размерную стабильность и плоскостность в приложениях гибкой электроники. Kapton E обладает сниженным коэффициентом теплового расширения (CTE), сниженной влагопоглощающей способностью и сниженным коэффициентом гигроскопического расширения (CHE) по сравнению с Kapton H.

Характеристики

В изоляции Каптон остается стабильным в широком диапазоне температур, от…

Теплопроводность Каптона при температурах от 0,5 до 5 Кельвина довольно высока для таких низких температур: κ = 4,638×10−3 T0,5678 Вт·м−1·К−1. Каптоновая изоляция плохо поддается старению: исследование FAA показало, что она деградирует в горячей и влажной среде или при воздействии морской воды. Также было установлено, что она обладает очень низкой устойчивостью к механическому износу, в основном к истиранию внутри кабельных жгутов из-за движения самолета. Многим моделям самолетов потребовалась масштабная перепроводка – иногда с полной заменой всей проводки в каптоновой изоляции – из-за коротких замыканий, вызванных дефектной изоляцией. Деградация и перетирание каптоновой изоляции из-за вибрации и нагрева были связаны с многочисленными катастрофами как самолетов с неподвижным крылом, так и вертолетов, приведшими к гибели людей. Согласно внутреннему отчету NASA, провода космического шаттла были покрыты изолятором Каптон, который со временем разрушался, вызывая короткие замыкания и, потенциально, пожары.

Производство электроники

Благодаря широкому диапазону температурной стабильности и способности к электрической изоляции, лента Каптона обычно используется в электронном производстве в качестве изоляционного и защитного слоя для электростатически чувствительных и хрупких компонентов. Поскольку она выдерживает температуры, необходимые для процесса оплавления припоя, её защита сохраняется на протяжении всего производственного цикла, и Каптон часто остаётся в конечном потребительском продукте.

Космический корабль

Спускная ступень лунного модуля "Аполлон" и нижняя часть подъёмной ступени, окружающая подъёмный двигатель, были покрыты термоизоляционными экранами из алюминиевой фольги Kapton. Во время возвращения с Луны астронавт "Аполлона-11" Нил Армстронг отметил, что во время старта подъёмной ступени лунного модуля "Орёл" он видел, как "Каптон и другие части ступеней LM разлетались во все стороны на большие расстояния". Лаборатория реактивного движения НАСА рассматривает Kapton как подходящую пластиковую основу для солнечных парусов благодаря его прочности в космической среде. Космический аппарат "New Horizons" НАСА использовал Kapton в инновационной конструкции теплоизоляции типа "термос", чтобы поддерживать работоспособность аппарата на протяжении более чем девяти лет, вплоть до встречи с карликовой планетой Плутон 14 июля 2015 года. Основной корпус покрыт лёгкой, золотистой многослойной теплоизоляцией, которая сохраняет тепло, выделяемое работающей электроникой, для поддержания температуры аппарата. Термоизоляционное покрытие из 18 слоёв сетчатой ткани Dacron, заключённой между алюминизированной плёнкой Mylar и плёнкой Kapton, также помогало защитить аппарат от микрометеоритов. Солнцезащитный экран космического телескопа Джеймса Уэбба состоит из пяти листов Kapton E, покрытых алюминием и легированным кремнием для отражения тепла от корпуса аппарата. Экипаж Международной космической станции использовал ленту Kapton для временного устранения небольшой утечки в космическом корабле "Союз", пристыкованном к российскому сегменту орбитального комплекса в августе 2018 года. Она была использована повторно в октябре 2020 года для временной герметизации утечки в переходном отсеке сервисного модуля "Звезда" МКС.

Рентгеновские лучи

Каптон также широко используется в качестве материала для окон, применяемых с различными источниками рентгеновского излучения (синхротронными линиями и рентгеновскими трубками), а также в рентгеновских детекторах. Высокая механическая и термическая стабильность, а также высокая проницаемость для рентгеновских лучей, делают его предпочтительным материалом. Он также относительно устойчив к радиационному повреждению.

3D печать

Каптон и ABS очень хорошо прилипают друг к другу, что обусловило широкое использование Каптона в качестве платформы для 3D-печати. Каптон наносится на ровную поверхность, а ABS экструдируется на поверхность Каптона. Напечатанная деталь из ABS не отслаивается от платформы при охлаждении и усадке, что является распространенной причиной неудачной печати из-за деформации детали. Более прочной альтернативой является использование поверхности из полиэтеримида. Исследователи разработали способ 3D-печати полиимидного материала, включая Каптон. Прекурсор полиамидной кислоты Каптона смешивается с акрилатным сшивающим агентом и фотоинициатором, способным образовывать гель при воздействии ультрафиолетового света в процессе 3D-печати. Последующий нагрев напечатанной детали до 400 °C удаляет временные сшивки и имидирует материал, формируя Каптон с заданной 3D-геометрией.

Другие

Относительно высокая теплопроводность каптона при очень низких температурах, в сочетании с его хорошими диэлектрическими свойствами и доступностью в виде тонких листов, сделали его популярным материалом в криогенике, поскольку он обеспечивает электрическую изоляцию при небольших тепловых градиентах. Каптон регулярно используется в качестве изолятора в условиях сверхвысокого вакуума благодаря низкой скорости выделения газов. Электропроводка в изоляции из каптона широко применяется в гражданской и военной авиации, так как она легче других изоляторов и обладает хорошими изоляционными и температурными характеристиками.