機械・電子・建築・化学プラントなどの設計において、材料の熱膨張係数データを正確に把握することは非常に重要です。
異種材料を組み合わせた設計では、線膨張係数の差（Δα）が熱応力・変形・接合部破壊の原因となるため、設計段階で材料間の熱膨張係数を比較検討することが欠かせません。
本記事では、主要金属・合金・非金属材料の熱膨張係数（線膨張係数）を一覧表にまとめ、設計での活用方法・選定ポイント・注意事項についてわかりやすく解説していきます。
目次
主要金属材料の熱膨張係数一覧（線膨張係数）
それではまず、主要な金属材料の熱膨張係数一覧について解説していきます。
以下の数値は室温〜100℃付近での代表値であり、メーカー・規格・測定条件によって若干異なることがあります。
軽金属・非鉄金属の熱膨張係数
| 材料 | 線膨張係数（ppm/℃） | 密度（g/cm³） | 主な用途 |
|---|---|---|---|
| 純アルミニウム | 23.1 | 2.70 | 電気・食品機器 |
| アルミ合金A6061 | 23.6 | 2.70 | 汎用構造材 |
| 純マグネシウム | 25.2 | 1.74 | 軽量部品 |
| 純銅 | 16.5 | 8.96 | 電線・電子機器 |
| 黄銅（真鍮） | 18.7 | 8.53 | バルブ・継手 |
| 純亜鉛 | 30.2 | 7.13 | めっき・ダイカスト |
| 純鉛 | 28.9 | 11.34 | 蓄電池・放射線遮蔽 |
| 純ニッケル | 13.3 | 8.91 | 耐熱・耐食用途 |
鉄系材料の熱膨張係数
| 材料 | 線膨張係数（ppm/℃） | 主な用途 |
|---|---|---|
| 純鉄 | 11.8 | 電磁材料・基礎研究 |
| SS400（一般構造用鋼） | 11.7〜12.0 | 建築・機械構造 |
| S45C（機械構造用炭素鋼） | 11.7〜12.1 | 機械部品全般 |
| SUS304（オーステナイト系） | 17.3 | 食品・化学・建築 |
| SUS316（オーステナイト系） | 16.0 | 耐食配管・医療 |
| SUS430（フェライト系） | 10.4〜10.5 | 家電・建材 |
| FC250（ねずみ鋳鉄） | 10.4〜11.1 | エンジン部品・工作機械 |
高機能金属・特殊合金の熱膨張係数
| 材料 | 線膨張係数（ppm/℃） | 特徴・用途 |
|---|---|---|
| チタン（Ti-6Al-4V） | 8.6〜9.0 | 航空宇宙・医療インプラント |
| インコネル625 | 12.8 | 高温耐熱・ジェットエンジン |
| インバー合金（Fe-36Ni） | 約1.2 | 超低熱膨張。精密計測・標準器 |
| コバール（Fe-Ni-Co） | 約5.2 | ガラス封着・電子部品 |
| タングステン | 4.5 | フィラメント・高温用途 |
| モリブデン | 4.8 | 高温炉・半導体製造 |
非金属材料との熱膨張係数比較
続いては、金属材料と代表的な非金属材料の熱膨張係数を比較することで、設計上の注意点を確認していきます。
ガラス・セラミックスの熱膨張係数
| 材料 | 線膨張係数（ppm/℃） | 特徴 |
|---|---|---|
| 石英ガラス（SiO₂） | 約0.5〜0.6 | 超低熱膨張。光学機器 |
| ホウケイ酸ガラス（パイレックス） | 約3.3 | 理化学ガラス・計量器 |
| ソーダライムガラス（一般ガラス） | 約8.5〜9.0 | 窓ガラス・瓶 |
| アルミナ（Al₂O₃） | 約6.5〜8.1 | 電子基板・ICパッケージ |
| 窒化アルミニウム（AlN） | 約4.5 | 放熱基板・パワーデバイス |
| ジルコニア（ZrO₂） | 約10〜11 | 工具・熱遮蔽コーティング |
樹脂・高分子材料の熱膨張係数
樹脂（プラスチック）材料の熱膨張係数は金属に比べて一般的に非常に大きく、金属との接合設計では大きな熱応力が問題になることがあります。
| 材料 | 線膨張係数（ppm/℃） |
|---|---|
| エポキシ樹脂（充填なし） | 約55〜65 |
| PTFE（フッ素樹脂） | 約100〜120 |
| ナイロン（PA6） | 約80〜100 |
| ABS樹脂 | 約65〜90 |
| ポリカーボネート（PC） | 約65〜70 |
樹脂と金属の熱膨張係数差は概ね5〜10倍に達するため、金属インサートと樹脂の接合部は熱疲労に対して特に脆弱であり、応力緩和設計が必須です。
設計での熱膨張係数データ活用の注意点
続いては、設計においてこれらの熱膨張係数データを活用する際の重要な注意点について確認していきます。
文献値と実測値のばらつきへの対応
熱膨張係数の文献値は、材料の組成・加工履歴・熱処理状態・測定温度範囲によって異なります。
安全性が重要な用途では、文献値にとどまらず材料メーカーのデータシートや実測データを確認し、安全率を設定した設計を行うことが推奨されます。
高温域での使用における温度依存性の考慮
高温環境（200℃以上）では熱膨張係数が温度と共に変化するため、室温付近の数値のみで計算することは不正確です。
高温用の材料データ（温度依存性データ）を入手し、積分計算または温度範囲に対応した平均値を用いることが精度向上につながります。
材料選定時の熱膨張係数マッチング（CTE matching）
異種材料を組み合わせた設計では、できるだけ線膨張係数が近い材料を組み合わせることがトラブル防止の基本原則です。
コバール合金（α≈5.2 ppm/℃）がガラス（ホウケイ酸ガラス：3.3 ppm/℃）との封着に使われることや、アルミナ（6.5〜8 ppm/℃）が半導体パッケージ（シリコン：2.6 ppm/℃）との中間層として採用されることが、CTE matchingの代表的な応用例です。
まとめ
本記事では、主要金属・特殊合金・非金属材料の熱膨張係数（線膨張係数）を一覧表として整理し、設計活用上の注意点について詳しく解説しました。
金属材料の線膨張係数は純亜鉛（30 ppm/℃）からインバー合金（1.2 ppm/℃）まで非常に広い範囲にわたります。
樹脂材料は金属の5〜10倍の熱膨張係数を持ち、金属との異種接合では応力緩和対策が必須です。
設計では文献値の適切な確認・高温域での温度依存性の考慮・CTE matchingを徹底することで、熱応力トラブルのない高信頼性設計が実現するでしょう。
