跳至內容

Kapton

維基百科，自由的百科全書
聚(氧基二苯基-焦苯酰亞胺)的結構
用於將電子元件安裝在散熱器上的Kapton絕緣墊

Kapton是一種用於柔性印刷電路（柔性電子）和太空保溫毯的聚酰亞胺薄膜，應用於航天器、衛星及各類航天儀器。Kapton由杜邦於20世紀60年代發明，能在寬廣溫度範圍內保持穩定，囊括4至673 K（−269至+400 °C）。Kapton被用於電子製造與航天領域、X射線設備及3D打印應用。其良好的熱學性能與低逸出特性使其常用於低溫物理學應用和高真空環境中。

歷史

[編輯]

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

Kapton是杜邦公司E. I. du Pont de Nemours and Company的註冊商標。[3]

化學及其變體

[編輯]

Kapton的合成是二酐（英語：dianhydride）在逐步聚合中應用的一個典型案例。中間聚合物被稱為「聚酰胺酸（poly(amic acid)）」，由於其與反應中常用的極性溶劑形成強氫鍵，因此具有可溶性。閉環過程在200—300 °C（470—570 K）的高溫下進行。

Kapton K和HN的化學名稱為「聚（4,4'-氧基二苯基均苯四甲酰亞胺）」（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）縮聚而成。

Kapton E是由兩種二酐（PMDA和聯苯四甲酸二酐（英語：biphenyltetracarboxylic acid dianhydride），BPDA）以及兩種二胺（ODA和對苯二胺，PPD）組成的混合物。BPDA組分在柔性電路應用中提供了更好的尺寸穩定性和平整度。與Kapton H相比，Kapton E降低了熱膨脹係數（CTE）、降低了吸濕性，並降低了吸濕膨脹係數（CHE）。[4]

特徵

[編輯]

在絕緣狀態下，Kapton在極寬的溫度範圍內保持穩定，範圍囊括−269至+400 °C（4至673 K）。[5][6]

Kapton在0.5至5開爾文溫度下的熱導率對於此類低溫環境而言相當高，公式為：[7]

Kapton絕緣材料的耐老化性能較差：FAA的一項研究顯示，它在高溫潮濕環境或海水存在下會發生退化。[8]研究還發現其耐機械磨損能力非常弱，主要表現為飛機運動導致的線束內摩擦。由於絕緣失效引起的短路問題，許多機型不得不進行大規模的重新布線改裝——有時甚至完全更換了所有使用Kapton絕緣的線路。Kapton導線因振動和熱量導致的降解及磨損，被認為與多起固定翼飛機和旋翼飛機的墜毀事故有關，並造成了人員傷亡。[9]《紐約時報》引用一份NASA OIG（英語：NASA Office of Inspector General）的文件報道稱，2005年穿梭機 (美國)上的Kapton絕緣電纜「往往會隨着時間推移而分解，導致短路，甚至可能引發火災」。在STS-93任務中，Kapton絕緣層發生的電短路導致兩個RS-25發動機控制器失效，幾乎引發災難。[10]

用法

[編輯]
三種不同寬度的Kapton膠帶

電子製造

[編輯]
用於藍牙耳機電池芯引腳絕緣的Kapton（黃色）

由於其極佳的溫度穩定性範圍和電絕緣能力，Kapton在電子製造中通常用作靜電敏感及脆弱組件的絕緣和保護層。由於它能承受回流焊操作所需的溫度，這種保護可以貫穿整個生產過程，且Kapton通常仍保留在最終消費品中。

航天器

[編輯]
長期暴露裝置（英語：Long Duration Exposure Facility）的超重宇宙射線實驗使用了鍍鋁Kapton膠帶熱防護罩

阿波羅登月艙的下降級以及上升級底部環繞上升發動機的部分，都覆蓋着鍍鋁Kapton箔層以提供熱絕緣。在從月球返回的旅途中，阿波羅11號太空人尼爾·阿姆斯特朗評價說，在「鷹號」登月艙上升級發射期間，他可以看到「Kapton和登月艙級間分離的其他碎片散布在周圍很遠的地方。」[11]

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡遮陽板的測試單元，由鍍鋁Kapton製成

由於Kapton在空間環境中的耐用性，NASA噴氣推進實驗室將其視為太陽帆的良好塑料支撐材料。[12]

NASA的新視野號航天器採用了創新的「保溫瓶」絕緣設計，使用Kapton使探測器在長達九年多、前往冥王星的5太米（33.4天文單位）旅程中，始終保持在10和30 °C（283和303 K）的工作溫度下。[13]航天器主體覆蓋着輕質、金色的多層隔熱層（MLI），它可以保留運行中的電子設備產生的熱量。這種由18層Dacron網布夾在鍍鋁Mylar和Kapton薄膜之間的隔熱毯，也有助於保護探測器免受微流星體的傷害。[14]

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡遮陽板由五層Kapton E層壓板組成，表面塗有鋁和摻雜矽，以將熱量反射出航天器主體。[15]

2018年8月，國際太空站的機組人員曾使用Kapton臨時修復了連接在軌道複合物俄羅斯艙段上的聯盟號飛船的一處輕微泄露。[16]2020年10月，它再次被用於臨時密封國際太空站星辰號服務艙轉移隔艙的漏氣處。[17]

X射線

[編輯]

Kapton也常用作各類X射線源（同步加速器束流線和X射線管）及X射線探測器的窗口材料。其高度的機械穩定性和熱穩定性，以及對X射線的高透過率，使其成為首選材料。此外，它對輻射損傷（英語：Radiation damage）也相對不敏感。[18]

3D打印

[編輯]

Kapton和ABS之間具有極佳的粘附力，這使得Kapton被廣泛用作3D打印機的打印平台表面。將Kapton鋪在平面上，然後將ABS擠出到Kapton表面。正在打印的ABS零件在冷卻收縮時不會從構建平台脫落，而零件翹曲是導致打印失敗的常見原因。[19]一種更耐用的替代方案是使用聚醚酰亞胺表面。[20]

研究人員已經開發出一種3D打印包括Kapton在內的聚酰亞胺材料的方法。[21]Kapton的前體聚酰胺酸與丙烯酸酯交聯劑和光引發劑混合，在3D打印過程中暴露於紫外線下可形成凝膠。隨後將3D打印出的零件加熱至400 °C，去除犧牲性的交聯劑並使其酰亞胺化，從而形成具有3D打印幾何形狀的Kapton結構。[22]

其他

[編輯]

Kapton在極低溫度下相對較高的熱導率，結合其良好的介電品質和易於獲得薄片的特點，使其成為低溫物理學中的寵兒，因為它可以在低熱梯度下提供電絕緣。

由於其極低的釋氣率，Kapton常在超高真空環境中用作絕緣體。[23]

Kapton絕緣電線由於比其他絕緣體更輕，且具有良好的絕緣和溫度特性，已被廣泛應用於民用和軍用飛機。

相關

[編輯]

參考

[編輯]
  1. ^ The Complex Material Engineering of NASA's Webb Telescope Sunshield. NASA. June 23, 2016 [December 11, 2022]. （原始內容存檔於2022-12-12）. 
  2. ^ Qnity™ Kapton® polyimide films. www.qnityelectronics.com. [2025-11-12]. （原始內容存檔於2026-01-08） （美國英語）. 
  3. ^ Kapton Trademark. United States Patent and Trademark Office. USPTO. [3 March 2017]. （原始內容存檔於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]. （原始內容 (PDF)存檔於2022-11-16）. 
  5. ^ DuPont Circuit & Packaging Materials Awarded U.S. Patents for Matte Black Film and Coverlay. 15 November 2013 [28 May 2015]. （原始內容存檔於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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. DOT/FAA Tech Report AR-08/2, January 2008. Retrieved on 23 August 2013
  9. ^ Fatal helicopter crash caused by Kapton wiring （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） www.military.com Retrieved 17 February 2015.
  10. ^ High Tech in the 1970s, Shuttles Feel Their Age （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. New York Times (25 July 2005)
  11. ^ Apollo 11 Flight Journal – Day 6 part 4: Trans-Earth Injection （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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 互聯網檔案館的存檔，存檔日期8 June 2015. Retrieved 23 April 2015
  14. ^ NASA, New Horizons Mission, Thermal Control （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  15. ^ Sunshield Membrane Coatings. James Webb Space Telescope. Goddard Space Flight Center; NASA. [27 December 2021]. （原始內容存檔於2021-12-27）. 
  16. ^ "ISS Status blog" at NASA website （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2022-01-13） （英語）. 
  20. ^ Kapton or PEI? What's Better for Desktop 3D Printing?. Fabbaloo. 17 July 2017 [2026-01-10]. （原始內容存檔於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 可免費查閱. 
  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. 
取自 "https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Kapton&oldid=91352956"