Transcript ppt - 東京大学宇宙線研究所

ポリイミドフィルムの宇宙線に対する
耐性の研究
A Study of the Radiation Damage to
Polyimide film
神奈川大学
大石富士夫、立山暢人
東大宇宙線研究所
瀧田正人
2003年7月13日～
（乗鞍宇宙線観測所・屋内・屋外借用）
査定金額
0
目的
構造、製造工程の異なる4種類のポリイミドフィルム（25 μm）
BPDA系PI[UPILEX-Rn,-S],PMDA系PI(Kapton),[APICAL]
において、乗鞍宇宙線観測所の屋外および屋内での宇宙線暴露、
電子線照射装置を用いたEB照射を行う。
劣化に伴う構造・物理変化や強度変化を解析する。
航空・宇宙環境で一部使用されている
二種類のBPDA系PIとの比較を行い、
航空・宇宙環境での使用の可能性を探ることを目的とする。
方法
○ 環境
EB照射、乗鞍屋内暴露、乗鞍屋外暴露、熱水浸漬、水蒸気暴
露(40h）
○ 表面変化
色差測定（L*a*b*）、光沢度測定(鏡面反射)、
VMS（ビデオマイクロスコープ・表面観察）、UV-VIS
○ 構造物理変化
引張強度試験、
顕微鏡IR（赤外吸収スペクトル、ATR法）
[ポリイミドの特徴]
1 熱可塑性、高温流動性、成形加工性、耐加水分解性に優れている
2 耐熱性（熱分解開始温度～500℃）
微細回路を持つベースフィルム、自動車・航空機エンジン廻り部品、電子電気部品、
3 電気絶縁性（誘電率3.2～3.4、高い絶縁破壊電圧、絶縁欠陥少）
電線、エナメル線、積層板、塗料、電子材料（保護膜、絶縁膜、レジスト等）
フレキシブルプリント基板[OA機器，カメラ用]、電線被覆材等
半導体の応力緩和用（バッファーコート膜）、表面保護用
4 耐薬品性（有機溶剤に不溶、酸・アルカリの化学薬品に対し耐性、寸法変化率小）
5 耐放射線性（のCo-60γ線4,000Mradで強度、伸度が５０％）
ヒンジレス伸展マスト
半導体関連材料、自動車関連材料（複写機の軸受けや自動車のタイヤホイール）、液晶表
示装置、ジェットエンジンカバー、スペース・シャトル、航空機構造体 など
BPDA type PI
O
O
O
O
＋
H 2N
O
NH2
O
O
Biphenyltetracarboxylic
dianhydride(BPDA)
4,4´-diaminophenylether(ODA)
O
O
C
C
NH
HN
HOOC
O
COOH
n
O
-2nH2O
O
N
N
O
O
O
PI(BPDA/ODA )
n
[Rｎ]
P
BPDA type PI
D
A
＋
/
Biphenyltetracarboxylic
p-diaminobenzene(PDA)
P dianhydride(BPDA)
D
A
) -2nH O
O
O
O
O
H 2N
NH2
O
O
O
O
C
C
N
H
N
H
HOOC
O
COOH
n
O
2
N
N
n
O
O
PI(s-BPDA/PDA )
[S]
PMDA type PI
O
O
O
O
O
＋
H 2N
O
NH2
O
Pyromellitic dianhydride(PMDA) 4,4‘-diaminophenylether(ODA)
O
O
C
C
NH
HOOC
HN
O
COOH
n
O
O
-2nH2O
N
N
O
PI(PMDA/ODA
O
O
n
Kapton type [K] ,APICAL type[A]
O
O
PI(BPDA/ODA ) [Rｎ]
N
N
O
O
O
O
n
O
N
PI(s-BPDA/PDA ) [S]
N
n
O
O
O
PI(PMDA/ODA )
O
N
N
O
O
O
n
Kapton type [K] ,APICAL type[A]
PIフィルム
Outdoor exposure
観測された宇宙線の総量（暴露期間２００３年７月１３日～９月２４日）
天頂角30度以内に入射した２０MeV以上の荷電粒子（おもにμ粒子と電子）の数 1.11×10 8[個/m2]
中性子の数 1.50×108[個/m2] ( 0.15×5E-1cos3 [1/cm2･min・sr ・ MeV] 20<E<100MeV)
15×5 E-2cos3 [1/cm2･min・sr ・ MeV] E>100MeV
M.Sato,1995,Nagoya-U
PI発泡体
PIフィルム
Indoor exposure
Video1
BPDA系PI[Rn]
Video2
BPDA系PI[s]
ビデオマイクロスコープ（VMS）による表面観察 １
PI(BPDA/ODA) [Rn]
100μm
100μm
100μ m
Indoor exposure
(2.5month)
Indoor exposure
(12month)
Indoor exposure
(24month)
100μm
Outdoor exposure
(2.5month)
Outdoor exposure
(12month)
Outdoor exposure
(24month)
ビデオマイクロスコープ（VMS）による表面観察 2
PI(BPDA/PDA) [S]
100μm
Indoor exposure
(2.5month)
Indoor exposure
(12month)
Indoor exposure
(24month)
100μm
Outdoor exposure
(2.5month)
Outdoor exposure
(12month)
Outdoor exposure
(24month)
ビデオマイクロスコープ（VMS）による表面観察 3
PI(PMDA/ODA) [K]
100μm
Indoor exposure
(2.5month)
Indoor exposure
(12month)
Indoor exposure
(24month)
100μm
Outdoor exposure
(2.5month)
Outdoor exposure
(12month)
Outdoor exposure
(24month)
ビデオマイクロスコープ（VMS）による表面観察4
PI(PMDA/ODA) [A]
～Fig.ⅳ.7示す
。
100μm
Indoor exposure
(2.5month)
Indoor exposure
(12month)
Indoor exposure
(24month)
100μm
Outdoor exposure
(2.5month)
Outdoor exposure
(12month)
Outdoor exposure
(24month)
引張強度試験
B P D A /O D A [R ]
P M D A /O D A [K ]
B P D A /O D A [R ]
P M D A /O D A [K ]
B P D A /P D A [S ]
P M D A /O D A [A ]
B P D A /P D A [S ]
P M D A /O D A [A ]
N
N
5 00
T en sile stren g th (M P a)
T en sile stren gth(M P a)
5 00
4 00
3 00
2 00
1 00
0
4 00
3 00
2 00
1 00
0
0
4
8
12
16
20
24
In d oor exposu re p eriod (m on th )
0
4
8
12
16
20
24
O u td o or e xp osu re p e riod (m o n th )
Indoor exposure Outdoor exposure
RN
＋15.1%
－22.5%
S
－41.0%
－55.8%
K
－26.9%
－74.4%
A
－42.8%
－
伸び率変化
B P D A /O D A [R ]
P M D A /O D A [K ]
B P D A /O D A [R ]
P M D A /O D A [K ]
B P D A /P D A [S ]
P M D A /O D A [A ]
B P D A /P D A [S ]
P M D A /O D A [A ]
N
N
140
E lo ng a tio n a t br ea k (% )
E lo ng a tio n a t br ea k (% )
1 40
1 20
1 00
80
60
40
20
120
100
80
60
40
20
0
0
0
4
8
12
16
20
In door e xposu re p eriod (m on th )
24
0
4
8
12
16
20
24
O u td oor exp osu re p eriod (m on th )
赤外線吸収スペクトル
PI(BPDA/ODA) [RN]の未劣化試料から暴露2年試料までの顕微FT-IRスペクトル
4資料ではIR
スペクトルでは
変化見られず
ピーク(cm-1)
帰属
1708.14
イミド環のC=O伸縮振動
1495.04
ベンゼン環の骨格振動
1368.25
ベンゼン環と第三級アミンのＣ－Ｎ伸縮振動
1234.22
＝Ｃ－Ｏ－Ｃ＝逆対称伸縮振動
1084.76
ベンゼン環と第三級アミンのＣ－Ｎ変角振動
808.03
P－二置換基を有するベンゼン環のＣ－Ｈ面外変角振動
X線回折 1
X-ray diffraction pattern of
BPDA/ODA [Rn] with
indoor exposure.
X-ray diffraction pattern of
BPDA/ODA [Rn] with
outdoor exposure.
結晶性の変化が起こって
いる
X線回折 2 Outdoor
BPDA/PDA [S] with outdoor
exposure.
PMDA/ODA [K]
PMDA/ODA [A]
PI伸発泡体 1
ビデオマイクロスコープ(VMS)による表面観察
Before degradation.
Indoor exposure(3month).
Indoor exposure(12month).
PI伸発泡体 2
赤外線吸収スペクトル
熱伝導率測定
Thickness
Exposure Heat conductivity
(W/m・ K)
time
5 mm
Original
3 month
0.040
0.040
2 mm
Original
12 month
0.035
0.034
T en sile stren gth(M P a)
引張強度試験
1 x 10
-4
8 x 10
-5
6 x 10
-5
P I-foam
4 x 10
-5
2 x 10
-5
Wavenumber(cm-1)
3042
1717
1515
1361
1084
826
739
0
2
4
6
8
10
In door e xposu re p eriod (m on th )
12
Assignment
C-H stretching vibration in arom atic ring
C=O stretching vibration in imide ring
In-plane skeletal vibration of arom atic ring
C-N stretching vibration
C-N bending vibration
C-H out-of-plane bending vibration in aromatic ring
C-N out-of-plane bending vibration in aromatic ring
まとめ
PIフィルム
1. PMDA/ODA[KAPTON],[APIKAL]の表面劣化の進行はBPDA/ODA[Rn],
BPDA/PDA[S]より早い。 BPDA系は強度・伸びの変化が暴露初期のみ大き
く、長期にわたる変化はPMDA系に比べ減少は穏やかである。
2. BPDA/PDA[S] , PMDA/ODA[APIKAL]の屋外暴露資料ではC=O結合の吸
収度変化の増減から一次構造の変化がおきた可能性がある。
3. X線回折の結果結晶化度の低下などの結晶性の変化が起こっている。
4. PMDA系[KAPTON]に比べBPDA系[Rn]が紫外線・宇宙線に対する耐久性
に優れている。
PI発泡体
現在４年間屋内暴露した資料について解析中。