製品紹介
バー
ビーズと球体
ボルト＆ナット
坩堝
ディスク
繊維
映画
フレーク
フォーム
フォイル
顆粒
ハニカム
インク
ラミネート
しこり
メッシュ
メタライズド・フィルム
プレート
粉類
ロッド
シーツ
単結晶
スパッタリングターゲット
チューブ
洗濯機
ワイヤー
コンバータと計算機
私たちのために書く
熱膨張係数
熱膨張係数
熱膨張係数は、温度の関数として材料に生じる寸法変化の大きさを定量化したものです。熱膨張係数は、温度1度あたりの寸法変化を測定するもので、通常、1°Cあたり（°C-¹）または1ケルビンあたり（K-¹）で記録され、加熱および冷却環境下での材料応答の予測に利用される重要な材料特性です。CTEを記述する数学的手段はあるが、基本原理はむしろ単純で、材料は加熱により膨張し、冷却により収縮する。
熱膨張に影響を与える要因
1.材料組成
結合状態によって、材料の熱膨張率は大きく異なる。
- 金属：金属結合では原子がより自由に振動するため、通常CTE値が高くなります（例：アルミニウム≈23 × 10-⁶ °C-¹）。
- セラミック：イオン結合や共有結合が強固なため、CTEが低い。例えば、溶融シリカのCTEは0.5 × 10-⁶ °C-¹です。
- ポリマー: 非線形のCTEが非常に高い場合が多く、例えばポリエチレンは100 × 10-⁶ °C-¹です。
- 複合材料：炭素繊維複合材料は、熱膨張がゼロに近いこともある。
2.温度範囲
CTEは必ずしも一定ではない。多くの材料は次のような特性を示します：
- 適度な温度範囲では直線的な挙動
- 相転移や高温付近での非線形膨張
例えば鋼は、20～100℃の範囲ではほぼ直線的なCTEを持つが、温度が高くなるにつれて、再結晶点に近くなるにつれて膨張率が大きくなる。
3.構造異方性
材料に異方性がある場合、異なる軸に沿って不均等な膨張が起こる。
- 木材は、木目を横切って大きく膨張するが、木目に沿ってはほとんど膨張しない。
4.外部応力と残留応力
内部応力は、溶接、機械加工、冷間加工などの製造工程で発生します。このような応力は、自然な膨張挙動を強めたり、逆に強めたりすることがあり、それに応じて実効CTEを変化させます。
5.環境暴露
CTEは、吸収された湿度、酸化、その他の化学的相互作用により、時間とともに微妙に変化することがある。実際、多くのポリマーは水分を吸収して膨潤し、熱膨張特性に影響を与えます。
熱膨張の種類
一般に、熱膨張には3つのタイプがあり、どの寸法変化を表すかによって異なります。
1.線形熱膨張
温度による材料の長さの変化です。
ほとんどの工学材料（金属、ポリマー、構造部品）は、線熱膨張率で評価されます。
長さ1メートルのアルミニウム棒CTE≈ 23 × 10-⁶ °C-¹ は、1℃加熱されると約23マイクロメートル膨張します。
2.面積（二次元）熱膨張
フィルム、コーティング、膜などの用途では、表面積がどのように膨張するかを理解する必要があります。
等方性材料の場合、面積膨張は線熱膨張率の約2倍です。
熱交換器の金属プレートは2次元膨張を起こし、ガスケットのシール性やボルトの予圧に影響を与えることがあります。
3.体積熱膨張
体積の3次元的膨張。流体、セラミック、鋳造部品に使用される。
大きな体積変化はポリマーやポリマーマトリックス複合材料の特徴であり、プラスチック製造時の金型設計に影響を与える。
熱膨張工学の応用
1.構造・土木工学
大型構造物は、熱膨張という重要な設計要素に左右される。
- 橋梁の伸縮継手は、季節的な温度変化に伴う数センチの変位を吸収するように設計されている。
- コンクリート舗装は、夏の暑さによる座屈を避けるため、膨張ギャップを設けています。
- 超高層ビルは、日々の熱サイクルによって高さが数ミリから数センチ違ってくる。
2.航空機と宇宙船
航空機と宇宙船は通常、極端な熱勾配にさらされる：
- ジェットエンジンのタービンブレードは1,000℃を超える温度で作動するため、割れを防ぐためにCTEを厳密に制御したニッケル基超合金を使用しなければならない。
- 衛星の光学部品は通常、軌道上での寸法安定性を維持するため、インバーなどの低膨張合金やセラミック材料で作られています。
3.エレクトロニクスと半導体
部品間のCTE不整合は、はんだ疲労やデバイス故障の原因となる可能性があります：
- 銅の膨張に合うように設計されたガラス繊維複合材は、信頼性を向上させるためにプリント回路基板（PCB）に使われている。
4.エネルギーと産業機械
熱膨張の影響：
たとえば熱交換器やボイラーでは、金属管が活性化サイクルの間に膨張します。
タービンハウジング - 管理されたクリアランス
季節によって屈曲するように設計されたガスパイプライン
5.精密光学機器および科学機器
超低膨張材料には、ULEガラスや溶融シリカなどがあり、ナノメートルスケールの精度が要求される光学ベンチ、望遠鏡、計測システムなどに使用されています。
一般的な材料の熱膨張率
下の表は、様々な材料とそれぞれの熱膨張係数の例です：
|
材料 |
熱膨張係数 (°C-¹) |
|
23 × 10-⁶ |
|
|
スチール |
12 × 10-⁶ |
|
ガラス |
9 × 10-⁶ |
|
コンクリート |
10 × 10-⁶ |
|
銅 |
16.5 × 10-⁶ |
|
真鍮 |
19 × 10-⁶ |
|
8.6 × 10-⁶ |
|
|
ポリエチレン |
100 × 10-⁶ |
|
カーボンファイバー |
0.5 × 10-⁶ |
|
インバー(合金) |
1.2 × 10-⁶ |
一般的な金属の熱膨張率
|
金属 |
CTE (10-⁶ /°C) |
|
アルミニウム |
23.1 |
|
真鍮 |
19-21 |
|
青銅(リン) |
17.6 |
|
銅 |
16.5 |
|
金 |
14.2 |
|
鉄 |
11.8 |
|
鉛 |
28.9 |
|
マグネシウム |
25.2 |
|
ニッケル |
13.3 |
|
8.8 |
|
|
銀 |
19.5 |
|
ステンレス（304） |
16.0 |
|
ステンレス（316） |
15.9 |
|
スチール（カーボン） |
11.7-13.0 |
|
錫 |
22.0 |
|
チタン |
8.6-9.4 |
|
4.5 |
|
|
亜鉛 |
30.2 |
|
ジルコニウム |
5.7 |
よくある質問
工学における熱膨張係数の意義は何ですか？
熱膨張係数は、過度の応力や変形を生じることなく温度変化に耐えることができる構造物や部品を設計するためのエンジニアリングにおいて非常に重要です。これにより、様々な用途で使用される材料の完全性と寿命が保証されます。
CTEはどのように測定するのですか？
CTEは通常、ダイラトメトリーによって測定され、制御された加熱または冷却下で寸法の変化を連続的に記録します。
純度はCTEに影響しますか？
はい。合金添加物、不純物、および欠陥含有物は、CTEに大きな変化をもたらす可能性があります。例えばインバー合金では、Niの添加により熱膨張が正確に調整されます。
Chin Trento
