負熱膨張材料とは
負熱膨張材料とは、温度が上がると縮むという逆転現象を示す固体です。
一般的な物質は温度が上がると原子間の平均距離が広がり、体積が膨張します。負熱膨張材料は全体が緻密になり、体積が減る材料です。代表的な材料例は酸化ジルコニウムやジルコンを基にした結晶で、分子間の特殊な結合角が発現要因とされています。
このユニークな性質を利用することで、熱による寸法変化を打ち消すことが可能です。一般的な正の熱膨張を示す材料と負熱膨張材料を適切に組み合わせることで、温度が変化しても全体の寸法がほとんど変わらない、ゼロ膨張材料を作り出すこともできます。近年は粉末冶金や3Dプリント技術の進歩により、複雑形状への成形も可能となり、実用化へのハードルが下がっています。
負熱膨張材料の使用用途
負熱膨張材料は以下のような用途で使用されます。
1. 精密光学機器
望遠鏡のミラー保持部やレーザー干渉計の支持構造では、わずかな熱変形が焦点距離や光路長を乱します。負熱膨張材料をアルミニウムフレームなどと貼り合わせると、正と負の膨張が相殺され、広い温度範囲で位置ずれを抑えることが可能です。これにより、長時間観測でも像がぼやけず、高い測定精度を維持できます。
2. 半導体装置
フォトリソグラフィーで用いるステージやマスクブランクには、高速加熱・冷却に伴うムラが発生します。基材の一部を負熱膨張セラミックスに置き換えることで、nmオーダーの位置決め誤差を防止可能です。結果として、歩留まり向上やライン停止リスク低減に貢献します。
3. 航空・宇宙
炭素繊維強化樹脂は軽量ですが、方向によって膨張率が異なります。負熱膨張材料を適切な配合で分散させると、均一に近い膨張特性を再現することが可能です。航空機のパネルや宇宙機のアンテナ基材など、温度環境が極端な場面で形状安定性が向上します。複合材設計の自由度が高まるため、重量と剛性の最適バランスを図りやすくなります。