ASTM E228：金属およびセラミックスの熱膨張率

ASTM E228とは

ASTM E228は、金属およびセラミックの熱膨張係数（CTE）を測定するためのASTM国際試験法規格です。この規格は、温度変化による材料の膨張や収縮を試験する際の一貫性と正確性を保証するもので、エンジニアリング設計、製造、品質保証における重要な要素となっています。

セラミックスと金属における熱膨張の重要性

熱膨張は、温度変動の影響を受ける用途において、材料の信頼性と性能を制限する要因です。この特性により、エンジニアや製造業者は寸法変化を予測し、熱応力に起因する不具合を回避することができます。

例えば、タービンエンジンでは、金属ブレードが高速で加熱・冷却されるため、CTEが適切に考慮されていないと、亀裂や疲労につながる可能性があります。半導体パッケージのセラミック基板では、シリコンチップと基板間のCTE差によって反りや剥離が発生することがあります。

熱膨張に関する適切な知識があれば、それが可能になります：

- 設計の最適化：機械部品は、温度が変化しても寸法が安定するように最適化されます。

- 材料の互換性：材料組み合わせ時の接合部の不具合や反りを防ぐ。

- 正確な製造：航空宇宙部品、光学機器、電子部品における厳しい公差。

ASTM E228の仕組み

測定装置

プッシュロッドダイラトメーターは、ASTM E228試験で使用される主要機器です。この試験装置には通常、常温域ではガラス質シリカ、高温域では高純度アルミナまたは等方性グラファイト製のプッシュロッドが使用されます。このロッドは、試験片の膨張または収縮を実質的に非常に高い精度で変位変換器に伝えます。

測定手順

1.試料の準備：必要な形状と表面仕上げの試験片を準備する。

2.加熱／冷却：試験片をディラトメーターに入れ、制御された温度変化にさらします。

3.測定：温度に対する直線変位（長さの変化）が装置によって測定される。

4.計算：変位-温度プロットの傾きからCTEを算出。

適用性

ASTM E228は、一般にCTEが約0.5μm/m・℃を超える固体物質に適用される。ASTM E228は金属、セラミック、高密度材料に適用され、その温度範囲は広範囲にわたります。この方法は、感度の高い装置があれば、低膨張材料に適用できるように変更することもできます。

ASTM E228の用途

ASTM E228試験は、温度安定性と寸法安定性が重要な用途で採用されています：

- 航空宇宙航空宇宙：ジェットエンジンのタービンブレードやヒートシールドは、非常に大きな温度勾配にさらされます。例えば、13-15 × 10^{-6}/℃のニッケル超合金とセラミックコーティングのCTE≈ (10-12 × 10^{-6}/℃)は、熱サイクル中の応力を低減するために慎重に適合されます。

- 車両アルミニウム合金の排気部品とエンジンブロックのCTE≈ (23 × 10^(-6)/ ℃)も同様の膨張試験を行う。スチールボルトのCTE≒(16×10^(-6)/℃)とアルミハウジングの不一致により、熱サイクルを繰り返すと機械的な歪みが発生する。

- エレクトロニクスプリント回路基板(PCB)や半導体パッケージは、熱サイクル中のクラックを防止するため、銅トレースCTE≈ (17 × 10^(-6)/ ℃)とアルミナやその他のセラミック基板CTE≈ (8 × 10^(-6)/ ℃)の正確なCTEマッチングが必要である。

- エネルギーシステム：固体酸化物燃料電池では、金属とセラミックの界面における適切なCTEデータがないと、800 °Cを超える動作温度下で剥離が起こりません。

ASTM E228は、正確な熱膨張データを提供することで、高性能用途における部品の寿命と安全性を向上させます。

熱膨張への影響

金属とセラミックが温度によって膨張する方法にはいくつかの影響があり、かなり複雑です：

- 材料組成：合金またはセラミック添加物は、CTE を大きく変化させます。例えば、アルミニウムへのシリコン添加は、アルミニウムのCTEを低下させ、アルミニウム-シリコン合金は、厳しい熱サイクルにさらされる自動車のピストンに最適な選択肢となりました。

- 温度範囲：ほとんどの材料が高温で非線形膨張を示すのは事実である。例えばステンレス鋼は、室温で16.0×10^{-6}/℃から700℃付近で約18.5×10^{-6}/℃のCTEを持つ。

- 微細構造：粒径、気孔率、相分布はすべて考慮すべき要素である。例えば、細粒ジルコニアセラミックスは、格子振動の自由度が限られているため、粗粒のものよりも熱膨張が小さい。

- 熱履歴：航空機のエンジンや炉のような繰り返し使用される材料にとって重要である。

一般的な材料の熱膨張係数

詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

よくある質問

熱膨張係数（CTE）とは何ですか？

CTEは、材料が加熱または冷却されたときに膨張または収縮する速度を定義するもので、一般的には摂氏1度あたりメートル当たりマイクロメートル(μm/m-℃)の単位で表されます。

ASTM E228が材料選定に役立つ理由は何ですか？

ASTM E228は、均一で再現可能な値を提供し、エンジニアが温度変化のある条件下で信頼できる性能を提供するために使用します。

ASTM E228はポリマーに使用できますか？

ASTM E228は金属とセラミックに適しています。ポリマーにはASTM E831のような特別な規格が必要です。

熱膨張は電子機器にどのような影響を与えますか？

部品間の熱膨張係数の違いにより内部応力が発生し、はんだ接合部の不具合やクラック、剥離の原因となります。

ASTM E228は高温での使用に適していますか？

ASTM E228は広い温度範囲にわたって正確に熱膨張率を測定できるため、航空宇宙、自動車、エネルギー技術に適しています。