跳转到内容

Kapton

维基百科，自由的百科全书
聚(氧基二苯基-焦苯酰亚胺)的结构
用于将电子元件安装在散热器上的Kapton绝缘垫

Kapton是一种用于柔性印刷电路（柔性电子）和太空保温毯的聚酰亚胺薄膜，应用于航天器、卫星及各类航天仪器。Kapton由杜邦于20世纪60年代发明，能在宽广温度范围内保持稳定，囊括4至673 K（−269至+400 °C）。Kapton被用于电子制造与航天领域、X射线设备及3D打印应用。其良好的热学性能与低逸出特性使其常用于低温物理学应用和高真空环境中。

历史

[编辑]

Kapton由杜邦公司在1960年代发明。截至2025年11月，Kapton由杜邦分拆出的公司Qnity Electronics生产。[1][2]

Kapton是杜邦公司E. I. du Pont de Nemours and Company的注册商标。[3]

化学及其变体

[编辑]

Kapton的合成是二酐（英语：dianhydride）在逐步聚合中应用的一个典型案例。中间聚合物被称为“聚酰胺酸（poly(amic acid)）”，由于其与反应中常用的极性溶剂形成强氢键，因此具有可溶性。闭环过程在200—300 °C（470—570 K）的高温下进行。

Kapton K和HN的化学名称为“聚（4,4'-氧基二苯基均苯四甲酰亚胺）”（poly (4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide)）。它是由均苯四甲酸二酐（PMDA）和4,4'-二氨基二苯醚（ODA）缩聚而成。

Kapton E是由两种二酐（PMDA和联苯四甲酸二酐（英语：biphenyltetracarboxylic acid dianhydride），BPDA）以及两种二胺（ODA和对苯二胺，PPD）组成的混合物。BPDA组分在柔性电路应用中提供了更好的尺寸稳定性和平整度。与Kapton H相比，Kapton E降低了热膨胀系数（CTE）、降低了吸湿性，并降低了吸湿膨胀系数（CHE）。[4]

特征

[编辑]

在绝缘状态下，Kapton在极宽的温度范围内保持稳定，范围囊括−269至+400 °C（4至673 K）。[5][6]

Kapton在0.5至5开尔文温度下的热导率对于此类低温环境而言相当高，公式为：[7]

Kapton绝缘材料的耐老化性能较差：FAA的一项研究显示，它在高温潮湿环境或海水存在下会发生退化。[8]研究还发现其耐机械磨损能力非常弱，主要表现为飞机运动导致的线束内摩擦。由于绝缘失效引起的短路问题，许多机型不得不进行大规模的重新布线改装——有时甚至完全更换了所有使用Kapton绝缘的线路。Kapton导线因振动和热量导致的降解及磨损，被认为与多起固定翼飞机和旋翼飞机的坠毁事故有关，并造成了人员伤亡。[9]《纽约时报》引用一份NASA OIG（英语：NASA Office of Inspector General）的文件报道称，2005年航天飞机 (美国)上的Kapton绝缘电缆“往往会随着时间推移而分解，导致短路，甚至可能引发火灾”。在STS-93任务中，Kapton绝缘层发生的电短路导致两个RS-25发动机控制器失效，几乎引发灾难。[10]

用法

[编辑]
三种不同宽度的Kapton胶带

电子制造

[编辑]
用于蓝牙耳机电池芯引脚绝缘的Kapton（黄色）

由于其极佳的温度稳定性范围和电绝缘能力，Kapton在电子制造中通常用作静电敏感及脆弱组件的绝缘和保护层。由于它能承受回流焊操作所需的温度，这种保护可以贯穿整个生产过程，且Kapton通常仍保留在最终消费品中。

航天器

[编辑]
长期暴露装置（英语：Long Duration Exposure Facility）的超重宇宙射线实验使用了镀铝Kapton胶带热防护罩

阿波罗登月舱的下降级以及上升级底部环绕上升发动机的部分，都覆盖着镀铝Kapton箔层以提供热绝缘。在从月球返回的旅途中，阿波罗11号宇航员尼尔·阿姆斯特朗评价说，在“鹰号”登月舱上升级发射期间，他可以看到“Kapton和登月舱级间分离的其他碎片散布在周围很远的地方。”[11]

詹姆斯·韦伯空间望远镜遮阳板的测试单元，由镀铝Kapton制成

由于Kapton在空间环境中的耐用性，NASA喷气推进实验室将其视为太阳帆的良好塑料支撑材料。[12]

NASA的新视野号航天器采用了创新的“保温瓶”绝缘设计，使用Kapton使探测器在长达九年多、前往冥王星的5太米（33.4天文单位）旅程中，始终保持在10和30 °C（283和303 K）的工作温度下。[13]航天器主体覆盖着轻质、金色的多层隔热层（MLI），它可以保留运行中的电子设备产生的热量。这种由18层Dacron网布夹在镀铝Mylar和Kapton薄膜之间的隔热毯，也有助于保护探测器免受微流星体的伤害。[14]

詹姆斯·韦伯空间望远镜遮阳板由五层Kapton E层压板组成，表面涂有铝和掺杂硅，以将热量反射出航天器主体。[15]

2018年8月，国际空间站的机组人员曾使用Kapton临时修复了连接在轨道复合物俄罗斯舱段上的联盟号飞船的一处轻微泄露。[16]2020年10月，它再次被用于临时密封国际空间站星辰号服务舱转移隔舱的漏气处。[17]

X射线

[编辑]

Kapton也常用作各类X射线源（同步加速器束流线和X射线管）及X射线探测器的窗口材料。其高度的机械稳定性和热稳定性，以及对X射线的高透过率，使其成为首选材料。此外，它对辐射损伤（英语：Radiation damage）也相对不敏感。[18]

3D打印

[编辑]

Kapton和ABS之间具有极佳的粘附力，这使得Kapton被广泛用作3D打印机的打印平台表面。将Kapton铺在平面上，然后将ABS挤出到Kapton表面。正在打印的ABS零件在冷却收缩时不会从构建平台脱落，而零件翘曲是导致打印失败的常见原因。[19]一种更耐用的替代方案是使用聚醚酰亚胺表面。[20]

研究人员已经开发出一种3D打印包括Kapton在内的聚酰亚胺材料的方法。[21]Kapton的前体聚酰胺酸与丙烯酸酯交联剂和光引发剂混合，在3D打印过程中暴露于紫外线下可形成凝胶。随后将3D打印出的零件加热至400 °C，去除牺牲性的交联剂并使其酰亚胺化，从而形成具有3D打印几何形状的Kapton结构。[22]

其他

[编辑]

Kapton在极低温度下相对较高的热导率，结合其良好的介电品质和易于获得薄片的特点，使其成为低温物理学中的宠儿，因为它可以在低热梯度下提供电绝缘。

由于其极低的释气率，Kapton常在超高真空环境中用作绝缘体。[23]

Kapton绝缘电线由于比其他绝缘体更轻，且具有良好的绝缘和温度特性，已被广泛应用于民用和军用飞机。

相关

[编辑]

参考

[编辑]
  1. ^ The Complex Material Engineering of NASA's Webb Telescope Sunshield. NASA. June 23, 2016 [December 11, 2022]. （原始内容存档于2022-12-12）. 
  2. ^ Qnity™ Kapton® polyimide films. www.qnityelectronics.com. [2025-11-12]. （原始内容存档于2026-01-08） （美国英语）. 
  3. ^ Kapton Trademark. United States Patent and Trademark Office. USPTO. [3 March 2017]. （原始内容存档于15 April 2022）. 
  4. ^ Donald J. McClure. Polyimide Film as a Vacuum Coating Substrate (PDF). 53rd SVC Technical Conference in Orlando, FL. April 20, 2010 [2026-01-10]. （原始内容 (PDF)存档于2022-11-16）. 
  5. ^ DuPont Circuit & Packaging Materials Awarded U.S. Patents for Matte Black Film and Coverlay. 15 November 2013 [28 May 2015]. （原始内容存档于23 September 2017）. DuPont invented Kapton® polyimide film over 45 years ago 
  6. ^ Navick, X.-F.; Carty, M.; Chapellier, M.; Chardin, G.; Goldbach, C.; Granelli, R.; Hervé, S.; Karolak, M.; Nollez, G.; Nizery, F.; Riccio, C.; Starzynski, P.; Villar, V. Fabrication of ultra-low radioactivity detector holders for Edelweiss-II. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 2004, 520 (1–3): 189–192. Bibcode:2004NIMPA.520..189N. doi:10.1016/j.nima.2003.11.290. 
  7. ^ Jason Lawrence, A. B. Patel and J. G. Brisson. The thermal conductivity of Kapton HN between 0.5 and 5 K. Cryogenics. 2000, 40 (3): 203–207. Bibcode:2000Cryo...40..203L. doi:10.1016/S0011-2275(00)00028-X. 
  8. ^ FAA insulation ageing test results （页面存档备份，存于互联网档案馆）. DOT/FAA Tech Report AR-08/2, January 2008. Retrieved on 23 August 2013
  9. ^ Fatal helicopter crash caused by Kapton wiring （页面存档备份，存于互联网档案馆） www.military.com Retrieved 17 February 2015.
  10. ^ High Tech in the 1970s, Shuttles Feel Their Age （页面存档备份，存于互联网档案馆）. New York Times (25 July 2005)
  11. ^ Apollo 11 Flight Journal – Day 6 part 4: Trans-Earth Injection （页面存档备份，存于互联网档案馆）. History.nasa.gov (15 March 2011). Retrieved on 2012-04-28.
  12. ^ Jerome L. Wright. Space Sailing. Taylor & Francis US. 1 January 1992: 100– [28 April 2012]. ISBN 978-2-88124-842-9. 
  13. ^ NASA New Horizons Pluto Mission, Mission Design 互联网档案馆的存档，存档日期8 June 2015. Retrieved 23 April 2015
  14. ^ NASA, New Horizons Mission, Thermal Control （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  15. ^ Sunshield Membrane Coatings. James Webb Space Telescope. Goddard Space Flight Center; NASA. [27 December 2021]. （原始内容存档于2021-12-27）. 
  16. ^ "ISS Status blog" at NASA website （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Retrieved on 30 August 2018.
  17. ^ Neilson, Susie. Space-station crew members just found an elusive air leak by watching tea leaves float in microgravity. Business Insider. 19 October 2020 [2026-01-10]. （原始内容存档于2021-09-09）. 
  18. ^ Janez Megusar. Low temperature fast-neutron and gamma irradiation of Kapton polyimide films. Journal of Nuclear Materials. 1997, 245 (2–3): 185–190. Bibcode:1997JNuM..245..185M. doi:10.1016/S0022-3115(97)00012-3. 
  19. ^ Bed Surfaces: Applying Kapton Tape. MatterHackers. [2026-01-10]. （原始内容存档于2022-01-13） （英语）. 
  20. ^ Kapton or PEI? What's Better for Desktop 3D Printing?. Fabbaloo. 17 July 2017 [2026-01-10]. （原始内容存档于2021-05-13）. 
  21. ^ Hegde, Maruti; Meenakshisundaram, Viswanath; Chartrain, Nicholas; Sekhar, Susheel; Tafti, Danesh; Williams, Christopher B.; Long, Timothy E. 3D Printing All‐Aromatic Polyimides using Mask‐Projection Stereolithography: Processing the Nonprocessable. Advanced Materials. 19 June 2017, 29 (31). 1701240. Bibcode:2017AdM....2901240H. PMID 28626968. doi:10.1002/adma.201701240 可免费查阅. 
  22. ^ Herzberger, Jana; Meenakshisundaram, Viswanath; Williams, Christopher B.; Long, Timothy E. 3D Printing All-Aromatic Polyimides Using Stereolithographic 3D Printing of Polyamic Acid Salts. ACS Macro Letters. 4 April 2018, 7 (4): 493–497. PMID 35619348. doi:10.1021/acsmacrolett.8b00126. 
  23. ^ Peter Kittel. Advances in Cryogenic Engineering. Birkhäuser. 30 September 1998: 1366– [29 April 2012]. ISBN 978-0-306-45807-1. 
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Kapton&oldid=91352956”