ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ

ПОЛИИМИДНОЙ ПЛЕНКИ ПМА В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 4.2-350 К

Семеренко Ю.А, Кириченко Г.И., Солдатов В.П.

Украина, ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, semerenko@ilt.kharkov.ua

 

THE TEMPERATURE DEPENDENCE OF THE ELASTICITY MODULUS

OF THE POLYIMIDE FILM PMA (KAPTON) IN THE TEMPERATURE RANGE 4.2-350 K

Semerenko Yu.A., Kirichenko G.I., Soldatov V.P.

In the temperature range 4.2-350 K for the first time was studied the temperature dependence of the quasi-static and dynamic Young's modulus of the polyimide film PMA (Kapton).

 

В области температур 4.2-350 К впервые изучены температурные зависимости динамического  и квазистатического  модулей Юнга промышленной полиимидной пленки марки ПМА.

Полиимидная пленка ПМА (зарубежные аналоги Kapton HN, Apikal HN) разработана фирмой DuPont, изготавливается путем поликонденсации PMDA и ODA в сильных полярных растворителях с последующим поливом на формующую поверхность и термоимидизацией при высоких температурах [1].

Полиимидная пленка ПМА имеет отличные физические, химические и электрические характеристики, устойчива к радиации, космической среде, растворителям, перепадам температур, стабильна в широком диапазоне температур от 4.2 до 700 К [2]. Она применяется в качестве высокотемпературной изоляции в электортехнике; благодаря более низкому удельному весу, чем у других диэлектриков применяется в качестве изоляции бортовых проводов и кабелей для авиации и космонавтики. Полиимидная пленка хорошо металлизируется благодаря чему широко используется в качестве подложки для гибких печатных плат. Полиимид имеет высокий коэффициент пропускания для рентгеновских лучей и обладает большой устойчивостью к ним, благодаря чему широко используется в качестве материала для изготовления "окон" (вместо бериллия) в приборах с рентгеновскими источниками и рентгеновских детекторах. Хорошая теплопроводность, механическая и термическая стабильность вместе с хорошими диэлектрическими качествами и доступностью в виде тонких листов делают его одним из основных материалов в криогенной технике. Полиимид широко используется в качестве изолятора в сверхвысоком вакууме.

В работе изучены образцы пленки толщиной 80 мкм. Температурные зависимости  и  были получены двумя различными методами: динамическим и квазистатическим.

Температурная зависимость динамического  модуля Юнга измерена методом резонансной механической спектроскопии с электростатическим возбуждением консольно закрепленного образца на частоте изгибных колебаний 20 Гц в амплитудно-независимой области звуковой деформации e0 ~ 10-7. Также измерена температурная зависимость логарифмического декремента колебаний . Для обеспечения электростатического возбуждения и регистрации колебаний на поверхность исследованных образцов напылялся тонкий (0.03 мкм) электропроводящий слой алюминия. В процессе акустических измерений температура измерялась с точностью 50 мK при помощи медь-константановой термопары, AsGa термометра и резистивного нагревателя. Скорость изменения температуры составляла ~ 0.7 К/мин. Использованный в работе метод неразрушающей механической спектроскопии сочетает высокую структурную чувствительность, избирательность и точность.

Значение динамического модуля упругости рассчитывалось по резонансной частоте колебаний образца  по формуле [3]:

                                                              

где ,  - длина и толщина образца, соответственно; а  - его плотность.

Поскольку литературные данные для линейного коэффициента теплового расширения  полиимида в области температур 4.2-350 К отсутствуют, то для расчета линейных размеров образца при температурах отличающихся от комнатной было использовано эмпирическое соотношение Баркера [4] справедливое для большинства стеклообразных линейных и сшитых полимеров:

                                                             

Температурная зависимость квазистатического модуля упругости  была получена из данных по одноосному растяжению образцов в режиме ползучести при постоянной температуре на низкотемпературной установке с рычажной системой передачи нагрузки на образцы [5]. В этих экспериментах нагрузку на образце изменяли ступенчато небольшими приращениями, и по соответствующему приросту деформации рассчитывали величину .

Экспериментальные данные для динамического  и квазистатического  модулей Юнга находятся в хорошем качественном и количественном соответствии. На температурной зависимости модуля упругости обнаружено две аномалии ("ступеньки") при 45 К и 185 К. "Ступеньке" модуля при 45 К соответствует хорошо выраженный пик акустического поглощения на температурной зависимости декремента колебаний .

Природа обнаруженных особенностей в настоящее время остается невыясненной.

 

1. С.В. Виноградова, Поликонденсационные процессы и полимеры. М.: Наука, 2000. - 373с.

2. А. А. Аскадский, Структура и свойства теплостойких полимеров, M. Химия, 1981. – 320с.

Подпись: Рис. 1 Температурные зависимости динамического модуля Юнга   (рис. 1а) и логарифмического декремента затухания   (рис. 1б) пленки ПМА, а также статического модуля Юнга   (рис. 1с).3. Ф.М. Морс, Колебания и звук, М.-П.: ГИТТЛ, 1949.

4. Barker R.E. Grüneisen numbers for polymeric solids. J. Appl. Phys., 38, № 11, 4234-4242 (1967).

5. М.В. Зиновьев, В.А. Коваль, Л.И. Денисенко, В.П. Солдатов. Проблемы прочности, №6, 92 (1972).