Капитан
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, в 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.
История
[ редактировать ]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 ]
Химия и варианты
[ редактировать ]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. осуществляется Замыкание кольца 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 ]
Характеристики
[ редактировать ]Изолированно каптон остается стабильным в широком диапазоне температур: от 4 до 673 К (от -269 до +400 °С). [ 5 ] [ 6 ]
Теплопроводность . каптона при температуре от 0,5 до 5 Кельвина достаточно высока для столь низких температур, κ = 4,638×10 −3 Т 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 пришлось претерпеть обширные модификации 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 как самолетов, так и вертолетов, с человеческими жертвами. [ 9 ] Газета New York Times , ссылаясь на документ НАСА OIG , сообщила в 2005 году, что кабели с каптоновой изоляцией на космическом шаттле «имели тенденцию со временем выходить из строя, вызывая короткие замыкания и, возможно, пожары». В ходе миссии STS-93 электрические замыкания на каптоновой изоляции вывели из строя два контроллера двигателя и едва не привели к катастрофе. [ 10 ]
Использование
[ редактировать ]
Производство электроники
[ редактировать ]
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.
Космический корабль
[ редактировать ]
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 Аполлона-11 астронавт 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 ]
НАСА Лаборатория реактивного движения 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 пространства (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 утечки в космическом корабле «Союз» , прикрепленном к российскому сегменту орбитального комплекса, в августе 2018 года. [ 16 ] В октябре 2020 года его снова использовали для временной герметизации течи в переходной камере служебного модуля «Звезда» МКС. [ 17 ]
Рентгеновские лучи
[ редактировать ]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 ]
3D printing
[ редактировать ]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 ] Полиаминовая кислота, предшественник каптона, смешана 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 ]
Другие
[ редактировать ]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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Сложное проектирование материалов солнцезащитного экрана телескопа Уэбб НАСА» . НАСА. 23 июня 2016 г. Проверено 11 декабря 2022 г.
- ^ «Полиимидные пленки DuPont™ Kapton®» . www.dupont.com . Проверено 03 апреля 2023 г.
- ^ «Торговая марка Каптон» . Ведомство США по патентам и товарным знакам . ВПТЗ США . Проверено 3 марта 2017 г.
- ^ Дональд Дж. МакКлюр (20 апреля 2010 г.). Полиимидная пленка как основа для вакуумного покрытия (PDF) . 53-я техническая конференция SVC в Орландо, Флорида.
- ^ «Компания DuPont Circuit & Packaging Materials получила патенты США на матовую черную пленку и защитное покрытие» . 15 ноября 2013 года . Проверено 28 мая 2015 г.
Компания DuPont изобрела полиимидную пленку Kapton® более 45 лет назад.
- ^ Навик, X.-F.; Карти, М.; Шапелье, М.; Шарден, Ж.; Гольдбах, К.; Гранелли, Р.; Эрве, С.; Каролак, М.; Ноллес, Г.; Низери, Ф.; Риччио, К.; Старжинский, П.; Вильяр, В. (2004). «Изготовление держателей детекторов сверхнизкой радиоактивности для Эдельвейс-II». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 520 (1–3): 189–192. Бибкод : 2004NIMPA.520..189N . дои : 10.1016/j.nima.2003.11.290 .
- ^ Джейсон Лоуренс, А. Б. Патель и Дж. Г. Бриссон (2000). «Теплопроводность каптона HN от 0,5 до 5 К». Криогеника . 40 (3): 203–207. Бибкод : 2000Cryo...40..203L . дои : 10.1016/S0011-2275(00)00028-X .
- ^ Результаты испытаний FAA на старение изоляции . Технический отчет DOT/FAA AR-08/2, январь 2008 г. Проверено 23 августа 2013 г.
- ↑ Катастрофа вертолёта со смертельным исходом, вызванная проводкой Kapton www.military.com Проверено 17 февраля 2015 г.
- ^ Высокие технологии 1970-х годов, шаттлы чувствуют свой возраст . Нью-Йорк Таймс (25 июля 2005 г.)
- ^ Журнал полетов Аполлона-11 - День 6, часть 4: Трансземная инъекция . History.nasa.gov (15 марта 2011 г.). Проверено 28 апреля 2012 г.
- ^ Джером Л. Райт (1 января 1992 г.). Космическое плавание . Тейлор и Фрэнсис США. стр. 100–. ISBN 978-2-88124-842-9 . Проверено 28 апреля 2012 г.
- ↑ Миссия НАСА «Новые горизонты Плутона», проект миссии. Архивировано 8 июня 2015 г. на Wayback Machine. Проверено 23 апреля 2015 г.
- ^ НАСА, Миссия «Новые горизонты», термоконтроль
- ^ «Солнцезащитные мембранные покрытия» . Космический телескоп Джеймса Уэбба . Центр космических полетов Годдарда; НАСА . Проверено 27 декабря 2021 г.
- ^ «Блог о статусе МКС» на сайте НАСА . Проверено 30 августа 2018 г.
- ^ Нилсон, Сьюзи (19 октября 2020 г.). «Члены экипажа космической станции только что обнаружили неуловимую утечку воздуха, наблюдая, как чайные листья плавают в условиях микрогравитации» . Бизнес-инсайдер .
- ^ Янез Мегусар (1997). «Низкотемпературное облучение быстрыми нейтронами и гамма-излучением полиимидных пленок каптона». Журнал ядерных материалов . 245 (2–3): 185–190. Бибкод : 1997JNuM..245..185M . дои : 10.1016/S0022-3115(97)00012-3 .
- ^ «Поверхности кровати: нанесение каптоновой ленты» . MatterHackers .
- ^ «Каптон или PEI? Что лучше для настольной 3D-печати?» . Фабалу . 17 июля 2017 г.
- ^ Хегде, Марути; Минакшисундарам, Вишванатх; Шартрен, Николас; Сехар, Сушил; Тафти, Данеш; Уильямс, Кристофер Б.; Лонг, Тимоти Э. (19 июня 2017 г.). «3D-печать всех ароматических полиимидов с использованием масочно-проекционной стереолитографии: обработка неперерабатываемых материалов» . Продвинутые материалы . 29 (31). 1701240. Бибкод : 2017AdM....2901240H . дои : 10.1002/adma.201701240 . ПМИД 28626968 .
- Бо Джексон (29 августа 2017 г.). «Исследование материала Virginia Tech 3d Print the Unprintable in Kapton» . Индустрия 3D-печати .
- ^ Херцбергер, Яна; Минакшисундарам, Вишванатх; Уильямс, Кристофер Б.; Лонг, Тимоти Э. (4 апреля 2018 г.). «3D-печать полностью ароматических полиимидов с использованием стереолитографической 3D-печати солей полиаминовой кислоты». Макробуквы ACS . 7 (4): 493–497. doi : 10.1021/acsmacrolett.8b00126 . ПМИД 35619348 .
- ^ Питер Киттель (30 сентября 1998 г.). Достижения криогенной техники . Биркхойзер. стр. 1366–. ISBN 978-0-306-45807-1 . Проверено 29 апреля 2012 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
