熱膨張係数
熱膨張係数
熱膨張係数(CTE)は、材料の寸法が温度によって変化する度合いを表す。通常、摂氏(℃-¹)またはケルビン(K-¹)あたりの単位で表されます。CTEを正確に数学的に表現するには数式を用いますが、その概念は、温度が変化したときに材料が受ける直線的、面積的、または体積的変化を中心に展開されます。
熱膨張に影響する要因
材料の熱膨張係数にはいくつかの要因が影響します：
材料組成
材料によって熱膨張率は本質的に異なります。金属、セラミック、ポリマー、複合材料は、その原子構造や分子構造に基づき、温度変化に対してそれぞれ独自の反応を示します。
温度範囲
CTEは温度によって変化します。ある温度範囲で直線的な膨張を示す材料もあれば、高温または低温で非直線的な挙動を示す材料もあります。
構造異方性
方向に依存した特性を持つ異方性材料は、様々な軸に沿って異なる膨張を示します。これは木材やある種の結晶のような材料では特に重要である。
外部応力
材料にあらかじめ存在する応力は、温度が変化したときの膨張や収縮に影響を与えます。製造工程に起因する残留応力は、効果的なCTEを変化させる可能性があります。
環境要因
湿度や化学物質への暴露など、さまざまな環境にさらされると、時間の経過とともに材料の熱膨張特性に影響を与える可能性があります。
一般的な材料の熱膨張
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 |
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スチール |
12 ×10-⁶ |
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ガラス |
9 ×10-⁶ |
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コンクリート |
10 ×10-⁶ |
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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 |
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銅 |
16.5 |
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金 |
14.2 |
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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 |
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スチール（カーボン |
11.7-13.0 |
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錫 |
22.0 |
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チタン |
8.6-9.4 |
|
4.5 |
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亜鉛 |
30.2 |
|
ジルコニウム |
5.7 |
よくある質問
エンジニアリングにおける熱膨張係数の意義は何ですか？
工学において熱膨張係数は、過度の応力や変形を生じることなく温度変化に耐える構造物や部品を設計する上で非常に重要です。熱膨張係数は、様々な用途に使用される材料の完全性と寿命を保証します。
熱膨張係数は日常生活にどのような影響を与えますか？
橋梁、鉄道、建物などの日常的な物体は、温度変化により膨張・収縮します。熱膨張係数を理解することは、このような動きに対応する伸縮継手やその他の機能を設計し、構造物の損傷を防ぐのに役立ちます。
熱膨張係数がマイナスになることはありますか？
負の熱膨張を示す材料もあります。このような材料は比較的まれで、収縮を制御することが望ましい特殊な用途に適しています。
熱膨張係数はどのように測定するのですか？
CTEは通常、ダイラトメトリーのような技術を用いて測定されます。ダイラトメトリーでは、制御された条件下で材料を加熱または冷却することにより、材料の長さや体積の変化をモニターします。
熱膨張係数は材料の純度によって変化しますか？
はい、不純物や合金元素は材料の熱膨張係数に大きな影響を与えます。純度の高い材料は、合金化した材料と比較して膨張特性が異なることがよくあります。
