インバー

インバーは、一般的にはFeNi36（米国では64FeNi ）としても知られ、熱膨張係数（CTEまたはα）が非常に低いことで知られるニッケル鉄合金です。インバーという名前は、温度変化による膨張や収縮が比較的少ないことを表すinvariable（不変）という言葉に由来しており^{[ 1 ]} 、アルセロールミッタルの登録商標です^{[ 2 ]}。

この合金の発見は1895年にスイスの物理学者シャルル・エドゥアール・ギヨームによってなされ、彼は1920年にノーベル物理学賞を受賞しました。これにより科学機器の改良が可能になりました。^{[ 3 ]}

他のニッケル/鉄組成物と同様に、インバーは固溶体です。つまり、単相合金です。インバー36と呼ばれる市販グレードでは、約36%のニッケルと64%の鉄から構成されています^{[ 4 ]}。融点は1,427 ℃ （2,601 ° F）、密度は  密度8.05  g/cm ³、抵抗率8.2 × 10 ⁻⁵  Ω·cm。^{[ 5 ]}インバーの範囲は、1961 年にウェスティングハウスの科学者によって「ニッケル原子パーセント30 ～ 45 パーセント」と説明されました。^{[ 6 ]}

一般的なインバーのグレードは、熱膨張係数（αで表され、20  °C から 100  °C の間で測定される）が約 1.2  ×  10 ⁻⁶ K ⁻¹である（ 1.2 ppm /°C   ）であるのに対し、通常の鋼は 11～15 ppm/°C程度の値を示します。 超高純度グレード (<0.1% Co ) は、0.62～0.65 ppm/°C という低い値を容易に実現できます。一部の配合では、負の熱膨張(NTE) 特性を示します。幅広い温度範囲で高い寸法安定性を示しますが、クリープする傾向があります。^{[ 7 ] [ 8 ]} 

歴史的に、特定の鉄ニッケル合金の常磁性特性は、最初に独自の特性として認識されました。これらの合金は、2種類の結晶原子構造が共存し、その割合は温度によって変化します。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}これらの構造の1つは、高い磁気モーメント（からまで）を特徴としています。2.2～2.5μB ） で格子定数が大きく、フントの規則に従っている。一方、もう一方の構造は磁気モーメントが小さく（2.2 ～ _{2.5μB ）}0.8～1.5μBの磁場_と 低い格子定数を持つ。可変磁場にさらされると、この二重構造の性質により合金の寸法が変化する。この現象は、広い温度範囲で優れた寸法安定性で知られるインバー合金の場合に特に顕著である。しかし、この安定性を維持するためには、材料を磁場にさらさないことが重要である。磁場にさらされると、2つの構造間の微妙なバランスが崩れ、望ましくない寸法変化が生じる可能性があるからである。

インバーは、自発的な体積磁歪（インバー効果）に起因する低い熱膨張係数で有名ですが、外部磁場に対する感度については歴史的にあまり注目されていません。強磁性体である標準的なインバー36は、1テスラの磁場下で約4 ppmという比較的大きな正の飽和磁歪を有しています。^{[ 12 ] [ 13 ]}この特性はジュール磁歪として知られており、磁化されると材料が異方的な寸法変化を起こすことを意味します。その結果、周囲の磁場の変動、あるいは地球の磁場に対するインバー部品の向きの変化でさえ、線状の歪みを誘発する可能性があります。干渉計や半導体リソグラフィーなどの超精密用途では、これらの磁気誘導膨張が、材料が選択された熱安定性の限界を超える可能性があります。これを軽減するために、高感度機器では、磁気シールドや、インバーを特殊な非強磁性低膨張合金に置き換えることがよく必要になります。

近年、材料科学の進歩により、非強磁性インバー合金が開発されました。これらの革新的な材料は、半導体産業や航空宇宙工学などの最先端分野での応用に新たな可能性を切り開きました。^{[ 14 ] [ 15 ]}磁場が寸法安定性に及ぼす影響を排除することで、非強磁性インバー合金は光学機器やその他の精密機器の性能を大幅に向上させる可能性を秘めています。

インバーは、精密機器、時計、地震クリープゲージ、カラーテレビ管のシャドウマスクフレーム^{[ 16 ] 、エンジンのバルブ、大型航空機構造金型[ 17 ]}など、高い寸法安定性が要求される用途に使用されます。

その最初の用途の一つは、精密なレギュレーター時計のテンプと振り子棒でした。発明当時、振り子時計は世界で最も精密な時計であり、計時の精度の限界は時計の振り子の長さの熱による変化にありました。 1898年にクレメンス・リーフラーによって開発されたリーフラー式レギュレーター時計は、インバー振り子を使用した最初の時計であり、1日あたり10ミリ秒の精度を持ち、1930年代まで海軍天文台や各国の時刻サービスにおける主要な時間基準として使用されました。

土地測量では、一次（高精度）標高水準測量を行う場合、水準標尺（水準測量棒）は木材、グラスファイバー、その他の金属ではなく、インバーで作られます。^{[ 18 ] [ 19 ]}一部のピストンでは、シリンダー内の熱膨張を制限するためにインバー製の支柱が使用されました。^{[ 20 ]}航空宇宙用炭素繊維積層金型用の大型複合材料構造の製造では、インバーは極めて厳しい公差で部品を製造するために使用されています。^{[ 21 ] [ 22 ]}

天文学分野では、インバーは天体望遠鏡の寸法に敏感な光学系を支える構造部品として使用されています。^{[ 23 ]}インバーの優れた寸法安定性により、天体望遠鏡の観測精度と正確性が大幅に向上します。

オリジナルのインバー材には、熱膨張係数がわずかに異なるバリエーションがいくつか存在する。例えば、以下のようなものがある。

• InovcoはFe–33Ni–4.5Coであり、α値は0.55  ppm/°C（20～100  °C）である。
• FeNi42（例えばNILO合金42）は、ニッケル含有量が42%で、α ≈ 5.3  ppm/°Cであり、シリコンのそれと一致するため、集積回路などのリードフレーム材料として広く使用されています。
• コバールまたはダイバーPと呼ばれるFeNiCo合金は、同じ膨張挙動（約5  ppm/℃）を持ち、溶融ホウケイ酸ガラスと強い結合を形成するため、ガラスと金属のシールや、衛星などの幅広い温度範囲と用途における光学部品の支持に使用されます。
• エリンバーは弾性率がほぼ一定であるため、腕時計のテンプ、ばねばかり、その他のばね式測定機器に重宝される

インバーの異常に低い熱膨張係数（CTE）の詳細な説明は、物理学者にとって未だ解明されていない。

鉄を多く含む面心立方構造の Fe–Ni 合金はすべて、測定された熱特性と磁気特性にインバー異常を示し、その強度は合金組成の変化に伴って連続的に変化する。科学者たちはかつて、インバーの挙動は面心立方構造の Fe–Ni 系列で起こる高磁気モーメントから低磁気モーメントへの遷移の直接的な結果であると提唱していた（そしてそれが鉱物アンチテーナイトを生み出す）。しかし、この理論は誤りであることが証明された。^{[ 24 ]}その代わりに、低モーメント/高モーメント遷移に先立って、高磁気モーメントのフラストレーション強磁性状態が存在し、その状態では Fe–Fe 磁気交換結合が、観測された熱膨張異常を生み出すのに適切な符号と大きさの大きな磁気体積効果を持つと考えられる。^{[ 25 ]}

Wangらは、 Feにおける完全強磁性（FM）配置とスピン反転配置（SFC）の統計的混合について検討した。₃ Pt は、第一原理計算から予測された FM と SFC の自由エネルギーを使用して、さまざまな圧力下での負の熱膨張の温度範囲を予測することができました。 ^{[ 26 ]}すべての個々の FM と SFC は正の熱膨張を持ち、負の熱膨張は FM よりも体積が小さい SFC の集団の増加に起因していることが示されました。 ^{[ 27 ]}

• コンスタンタン合金とマンガニン合金は、電気抵抗率が比較的一定である。
• エリンバーは、幅広い温度範囲で比較的一定の弾性を持つ合金である。
• シタールとゼロデュールは、比較的熱膨張率の低いセラミック材料である。
• ホウケイ酸ガラスおよび超低膨張ガラス、耐熱衝撃性に優れた低膨張ガラス
• ALLVAR合金30は、他の材料の熱膨張を補償する負の熱膨張合金である^{[ 28 ]。}