線膨張係数の一覧表！金属・樹脂・セラミックスの数値と計算方法も

製品設計や材料選定において、温度変化による寸法変化を正確に把握することは非常に重要です。

その際に欠かせない指標が線膨張係数であり、金属・樹脂・セラミックスなどあらゆる材料の熱挙動を数値で示してくれます。

しかし「線膨張係数の一覧表が見たい」「計算方法がよくわからない」と感じている方も多いのではないでしょうか。

この記事では、線膨張係数の一覧表を材料ごとに整理するとともに、基本的な計算方法や実務での活用ポイントまでわかりやすく解説していきます。

ぜひ設計・製造現場での参考にお役立てください。

線膨張係数とは？材料の熱膨張を数値で示す重要な指標

それではまず、線膨張係数の基本的な意味と重要性について解説していきます。

線膨張係数（Linear Thermal Expansion Coefficient）とは、温度が1℃（または1K）上昇したときに、材料の長さがもとの長さに対してどのくらいの割合で伸びるかを示す値です。

単位は一般的に「1/℃」または「×10⁻⁶/℃（ppm/℃）」で表されます。

この値が大きいほど、温度変化に対して寸法が大きく変化しやすい材料といえます。

たとえば金属と樹脂を接合した部品では、温度変化によってそれぞれの伸び量が異なるため、接合部に応力が発生します。

この熱応力を見落とすと、製品の反りや割れ、接合部の剥離などのトラブルにつながることがあります。

線膨張係数は、材料の種類によって大きく異なります。

金属は比較的小さく、樹脂は大きめ、セラミックスはさらに小さい傾向がありますが、各材料の具体的な数値は後述の一覧表で確認していきましょう。

線膨張係数と体積膨張係数の違い

熱膨張を表す指標には、線膨張係数のほかに体積膨張係数（熱膨張率）もあります。

線膨張係数が「長さ方向」の変化を示すのに対し、体積膨張係数は「体積全体」の変化を示します。

等方性材料（どの方向にも同じ性質を持つ材料）の場合、体積膨張係数はおよそ線膨張係数の3倍となります。

実務では、固体材料の寸法管理には線膨張係数が広く用いられています。

線膨張係数が材料設計に与える影響

線膨張係数が設計に与える影響はとても大きく、特に異種材料の接合・組み合わせ設計では慎重な検討が必要です。

たとえば半導体パッケージでは、シリコンチップと基板の線膨張係数の差が熱疲労や破損の原因となることがあります。

また、精密機器では温度変化による微小な寸法変化でも、製品の精度に大きな影響を与えることがあります。

材料の線膨張係数をあらかじめ把握しておくことで、こうした問題を設計段階で未然に防ぐことができるでしょう。

線膨張係数の測定方法

線膨張係数の測定には、主に熱機械分析（TMA）や押し棒式膨張計（ジュグラー式）が用いられます。

TMAは試料に一定の荷重をかけながら温度を変化させ、寸法変化を高精度に測定できる方法です。

また、レーザー干渉計を用いた非接触測定も精密な測定に活用されています。

測定条件（温度範囲・雰囲気など）によって値が変わることがあるため、カタログ値を参照する際は測定条件も確認することが大切です。

線膨張係数の一覧表！金属・樹脂・セラミックスの数値と計算方法も

続いては、金属・樹脂・セラミックスそれぞれの線膨張係数の代表的な数値を一覧表で確認していきます。

以下の数値はあくまで代表的な参考値であり、材料のグレードや製造条件によって異なる場合があります。

実際の設計では、メーカーのデータシートや規格値を必ず確認するようにしましょう。

金属の線膨張係数一覧

金属材料は比較的線膨張係数が小さく、構造材料として広く用いられています。

以下に代表的な金属の線膨張係数をまとめました。

材料名	線膨張係数（×10⁻⁶/℃）
アルミニウム（純Al）	23.1
銅（純Cu）	16.5
鉄（純Fe）	11.8
炭素鋼（SS400など）	11.7〜12.1
ステンレス鋼（SUS304）	17.3
チタン（純Ti）	8.6
ニッケル（純Ni）	13.4
インバー合金（Fe-36%Ni）	1.2
タングステン	4.5
マグネシウム合金	26.0
亜鉛	30.2
金（Au）	14.2

インバー合金は線膨張係数が極めて小さく、精密機器や計測器の基準部品に用いられる特殊な合金です。

アルミニウムやマグネシウム合金は線膨張係数が大きめであり、組み合わせる材料との差に注意が必要です。

樹脂の線膨張係数一覧

樹脂（プラスチック）材料は金属と比べて線膨張係数が大きく、温度変化による寸法変化が顕著です。

以下に代表的な樹脂の線膨張係数をまとめました。

材料名	線膨張係数（×10⁻⁶/℃）
ポリエチレン（PE）	100〜200
ポリプロピレン（PP）	80〜100
ポリ塩化ビニル（PVC）	50〜80
ナイロン6（PA6）	70〜80
ABS樹脂	70〜90
ポリカーボネート（PC）	65〜70
ポリアセタール（POM）	100〜110
PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）	47
PTFE（テフロン）	100〜150
エポキシ樹脂	50〜80

樹脂材料は金属の5〜10倍程度の線膨張係数を持つものが多く、金属部品と組み合わせる際は特に注意が必要です。

PEEKはエンジニアリングプラスチックの中でも線膨張係数が比較的小さく、精密部品への適用も検討されやすい材料です。

セラミックスの線膨張係数一覧

セラミックス材料は金属よりもさらに線膨張係数が小さいものが多く、高温環境での寸法安定性に優れています。

以下に代表的なセラミックスの線膨張係数をまとめました。

材料名	線膨張係数（×10⁻⁶/℃）
アルミナ（Al₂O₃）	7.2〜8.1
ジルコニア（ZrO₂）	10.0〜11.0
窒化ケイ素（Si₃N₄）	2.5〜3.5
炭化ケイ素（SiC）	4.0〜4.5
コーディエライト	1.0〜2.0
石英ガラス（溶融シリカ）	0.55
ホウケイ酸ガラス	3.3

石英ガラス（溶融シリカ）は線膨張係数が非常に小さく、急激な温度変化にも割れにくい耐熱衝撃性の高い材料として知られています。

ジルコニアは比較的大きい値を示し、金属との組み合わせでも熱応力の管理が必要です。

線膨張係数の計算方法と実務での活用

続いては、線膨張係数を使った寸法変化の計算方法と、実務での活用例を確認していきます。

線膨張係数の数値を知るだけでなく、実際に寸法変化量を計算できることが設計現場では求められます。

寸法変化量の基本計算式

線膨張係数を用いた寸法変化量の計算は、以下の式で求めることができます。

この計算式により、温度変化が生じたときの伸び量・縮み量を事前に見積もることが可能です。

1000mmのSUS304部品が100℃昇温すると約1.73mm伸びることになり、精密機器であればこの変化量は決して無視できません。

設計公差に対して余裕があるかどうかを、この計算式で確認する習慣をつけることが大切です。

熱応力の計算方法

材料が拘束されている状態で温度変化が生じると、熱応力（Thermal Stress）が発生します。

熱応力の計算式は以下のとおりです。

わずか50℃の温度変化でも、100MPaを超える大きな応力が発生することがわかります。

この熱応力が材料の耐力（降伏応力）を超えると、塑性変形や破損が生じる可能性があるため、設計上の重要なチェックポイントといえるでしょう。

線膨張係数を考慮した設計の実例

実務において線膨張係数を考慮した設計が求められる場面は多岐にわたります。

代表的な事例としては、以下のようなものが挙げられます。

たとえば配管設計では、長尺の配管が温度変化で伸び縮みすることを見越して、エキスパンションジョイント（伸縮継手）を設けることが一般的です。

計算式を活用して変位量を算出し、ジョイントの許容変位量以内に収まるよう設計することが求められます。

また、電子基板の設計では、実装部品のパッケージ材料と基板材料の線膨張係数差が小さくなるよう材料を選定することが、熱疲労対策の基本となっています。

線膨張係数を材料選定に活かすポイント

続いては、線膨張係数を実際の材料選定にどう活かすかについて確認していきます。

一覧表の数値を参照するだけでなく、設計条件に応じた適切な材料の選び方を理解しておくことが重要です。

異種材料を組み合わせる際の注意点

異種材料を接合・組み合わせる場合は、線膨張係数の差（ミスマッチ）を最小化することが基本原則です。

線膨張係数の差が大きいほど、温度変化時に発生する熱応力が大きくなります。

具体的な対策としては、以下のような方法があります。

まず、線膨張係数が近い材料を組み合わせて選定する方法があります。

次に、柔軟性のある接着剤や緩衝材を介在させ、熱応力を吸収させる方法も有効です。

さらに、スライド機構や逃げ構造を設けて寸法変化を拘束しないようにする設計も効果的でしょう。

使用温度範囲と線膨張係数の関係

線膨張係数は温度範囲によって値が変化することがある点にも注意が必要です。

多くの材料では、温度が高くなるにつれて線膨張係数がわずかに大きくなる傾向があります。

そのため、カタログや一覧表の値を参照する際は、どの温度範囲での値なのかを確認することが大切です。

一般的に線膨張係数の代表値は「20〜100℃」や「室温付近」での平均値として記載されていることが多くあります。

高温域での使用を想定する場合は、より広い温度範囲での測定データを参照するようにしましょう。

線膨張係数の低い材料が求められる用途

高い寸法安定性が求められる用途には、線膨張係数の小さな材料が選ばれます。

代表的な用途として、精密測定機器の基準ゲージにはインバー合金や低膨張ガラスが使用されます。

また、半導体製造装置の部品にはSiCや石英ガラスが採用されることが多いです。

光学機器のマウント部品にも、低膨張セラミックスや特殊合金が使われています。

低線膨張係数材料は一般的に高価であるため、要求精度と経済性のバランスを考慮した材料選定が重要です。

まとめ

この記事では、線膨張係数の一覧表！金属・樹脂・セラミックスの数値と計算方法も、というテーマで詳しく解説してきました。

線膨張係数は、温度変化による材料の寸法変化を示す重要な物性値であり、設計・材料選定において必ず確認すべき指標です。

金属は概ね5〜30×10⁻⁶/℃、樹脂は50〜200×10⁻⁶/℃、セラミックスは1〜11×10⁻⁶/℃程度の範囲にあり、材料の種類によって大きく異なります。

計算式「ΔL＝α×L₀×ΔT」を活用することで、温度変化に伴う寸法変化量を事前に見積もることができます。

また、熱応力の計算式「σ＝E×α×ΔT」を用いることで、拘束状態での発生応力も把握できます。

異種材料を組み合わせる際には線膨張係数の差に注意し、適切な設計・材料選定を行うことが製品の品質と信頼性を守るうえで欠かせません。

ぜひこの記事の一覧表と計算方法を参考に、日々の設計・製造業務にお役立てください。