高、中、低熱膨張係数（CTE）材料

最終更新日 {{lastDate}}

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

カテゴリー	材料の例	CTE範囲 (x10-⁶/K)
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
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
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。

<< 前例

耐熱3Dプリンティング材料の究極ガイド：トップ10

次のページ >>

破壊靭性が最も優れている既知の材料は？

Chin Trento

イリノイ大学で応用化学の学士号を取得。彼の学歴は、多くのトピックにアプローチするための幅広い基盤となっている。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）で4年以上にわたり先端材料の執筆に携わる。彼がこれらの記事を書く主な目的は、読者に無料で、しかも質の高いリソースを提供することである。誤字、脱字、見解の相違など、読者からのフィードバックを歓迎する。

格付け

{{viewsNumber}} について考えてみた "{{blogTitle}}"

blog.levelAReply (Cancle reply)

メールアドレスは公開されません。は必須項目です。*

ご要望*

名称 *

電子メール *

blog.MoreReplies

返信を残す

メールアドレスは公開されません。は必須項目です。*

ご要望*

名称 *

電子メール *

検索

関連ニュース＆記事

高温実験室および工業用トップるつぼ

実験室および産業環境において、るつぼは、溶融、焼成、および焼結などの高温プロセスに不可欠なツールです。これらのるつぼは、極端な温度に耐え、腐食に耐え、応力下で構造的完全性を維持できなければなりません。高温るつぼに最も一般的に使用される材料、その特性、およびそれらを使用する産業について説明します。

詳細はこちら >

形状記憶合金の主な用途

形状記憶合金（SMA）は、特定の熱刺激や機械的刺激にさらされると、あらかじめ定義された形状に戻ることができるユニークなスマート材料の一種である。従来の金属とは異なり、SMAは形状記憶効果と超弾性を示し、環境に動的に反応することができる。中でもニチノール（ニッケル・チタン合金）が最も広く使われていますが、銅ベースや鉄ベースのSMAもエンジニアリングにおいて重要な役割を果たしています。センシング、アクチュエーション、そして構造的な機能をひとつの材料に統合するその能力のおかげで、SMAは現在、医療、工業、航空宇宙、ロボット工学、そして消費者向けアプリケーションに広く使われています。

詳細はこちら >

がん治療における主な機能性バイオセラミックス

がん治療において、バイオセラミックスは一般に腫瘍、組織、治療薬との相互作用に基づいて分類される。それぞれの分類は、受動的な構造支持から能動的な腫瘍破壊や薬物送達まで、明確な役割を果たしている。

詳細はこちら >

高、中、低熱膨張係数（CTE）材料

はじめに

高熱膨張率素材

中程度のCTE素材

低CTE材料

高、中、低CTE素材の比較表

結論