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私たちのために書く
高、中、低熱膨張係数（CTE）材料
はじめに
材料は熱したり冷やしたりすると大きさが変わる。その程度は熱膨張係数によって測定される。熱膨張係数が高いということは、材料が加熱されると大きく膨張することを意味する。低熱膨張率は、ほとんど変化しないことを意味する。
高熱膨張率素材
CTEが高い材料は、温度が変化すると顕著に膨張します。一部の金属とほとんどのプラスチックがこのカテゴリーに入る。
金属
アルミニウムのCTEは通常23 x10-⁶/Kです。銅は通常17 x10-⁶/Kです。鋼は約11～13 x10-⁶/Kです。
ポリマーとプラスチック
プラスチックは熱膨張が非常に大きいです。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などは、熱膨張率が50～200 x10-⁶/Kです。このタイプの素材は、ほとんどのプラスチック部品や、設計時に膨張を考慮する必要がある家庭用アプリケーションに使われています。
CTEが高い素材は、日常生活にも使われています。アルミのドア枠は、夏の暑い日にくっつかないように隙間が必要かもしれません。パッケージのプラスチックは太陽光で大きく膨張する。
中程度のCTE素材
中程度のCTEを持つ素材は、プラスチックや一部の金属ほど膨張しませんが、それでも温度によって変化します。セラミックや複合材料の一部はこのカテゴリーに入る。
セラミックス
アルミナのようなセラミックのCTEは5～8x10-⁶/Kです。窒化ケイ素は3～4 x10-⁶/Kと低い値です。これらは高温での使用に強いため、非常に珍重されています。セラミック部品はエンジンや電子機器に使用されています。
複合材料
炭素繊維強化ポリマー(CFRP)やガラス繊維強化ポリマー(GFRP)などの複合材料は、強度と低熱膨張のトレードオフで作られています。これらの材料は、寸法精度が重要な航空宇宙部品やスポーツ用品に使用されています。
中熱膨張材料は、高熱膨張と剛性安定性のトレードオフの関係にあります。技術者は、適度な熱変化が許容される場合、またはコストを考慮する場合、これらの材料を選択します。
低CTE材料
低CTE材料は、温度変化によって寸法がごくわずかに変化します。この種の材料は、精密用途に広く使用されています。
特殊合金と金属
Invarのような特殊合金は鉄とニッケルの合金で、ニッケルが約36%含まれています。インバーは、科学機器や時計など、変化を最小限に抑えることが重要な精密部品に使われています。
ガラスとセラミック
ガラスである溶融シリカのCTEは約0.5 x10-⁶/Kです。低膨張素材のZerodurもこのカテゴリーに入ります。これらの素材は、望遠鏡の鏡や実験器具、精密機器に使われています。低膨張であるため、温度変化に対する正確性が保証されています。
高、中、低CTE素材の比較表
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カテゴリー |
材料の例 |
CTE範囲 (x10-⁶/K) |
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高熱膨張率素材 |
アルミニウム, 銅, スチール; ポリエチレン, ポリプロピレン, PTFE |
金属11-23; プラスチック50-200 |
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中CTE材料 |
アルミナ、窒化ケイ素；CFRP、GFRP |
セラミックス：3-8; 複合材料：中程度 |
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低CTE材料 |
インバー、溶融シリカ、ゼロデュール |
合金~1；ガラス~0.5 |
この表は、単に重要な値を示しています。これは、与えられた設計要件に対してどの材料が適切かを比較するのに役立ちます。より詳しい情報は、Stanford Advanced Materials (SAM)をご覧ください。
結論
材料選択における熱膨張係数を理解してください。ほとんどのプラスチックや金属のようにCTEが高い材料は、大きく変化します。セラミックや複合材料のようにCTEが中程度の材料は、膨張と強度のバランスがとれています。インバーや溶融シリカのようにCTEが低い材料は、温度差による変化はあまりありません。
よくある質問
F: 熱膨張係数とは何ですか？
Q: 熱膨張係数とは、ある材料が温度変化によりどの程度膨張・収縮するかを示すものです。
F: なぜ熱膨張が設計に重要なのですか？
Q: 熱膨張は、機械システムや電気システムの寸法精度、性能、安全性に影響します。
F: 熱膨張が最も小さい材料は何ですか？
Q: 溶融シリカやインバーのような特殊合金は、熱膨張が小さいことで知られています。
Chin Trento
