Un verre - Glass

Une façade de bâtiment en verre

Le verre est un solide amorphe non cristallin , souvent transparent , qui a une utilisation pratique, technologique et décorative répandue dans, par exemple, les vitres, la vaisselle et l' optique . Le verre est le plus souvent formé par refroidissement rapide ( trempe ) de la forme fondue ; certains verres comme le verre volcanique sont d'origine naturelle. Les types de verres manufacturés les plus connus et historiquement les plus anciens sont les "verres au silicate" à base de silice, un composé chimique (dioxyde de silicium ou quartz ), constituant principal du sable . Le verre sodocalcique , contenant environ 70 % de silice, représente environ 90 % du verre fabriqué. Le terme verre , dans l'usage courant, est souvent utilisé pour désigner uniquement ce type de matériau, bien que les verres sans silice aient souvent des propriétés souhaitables pour des applications dans la technologie de communication moderne. Certains objets, tels que les verres à boire et les lunettes , sont si souvent fabriqués en verre à base de silicate qu'ils sont simplement appelés par le nom du matériau.

Bien que fragile, le verre de silicate enfoui survivra pendant de très longues périodes s'il n'est pas dérangé, et de nombreux exemples de fragments de verre existent dans les premières cultures verrières. Des preuves archéologiques suggèrent que la fabrication du verre remonte à au moins 3 600 avant JC en Mésopotamie , en Égypte ou en Syrie . Les premiers objets en verre connus étaient des perles , peut-être créées accidentellement lors du travail des métaux ou de la production de faïence . En raison de sa facilité de formage dans n'importe quelle forme, le verre a été traditionnellement utilisé pour les récipients, tels que les bols , les vases , les bouteilles , les pots et les verres à boire. Dans ses formes les plus solides, il a également été utilisé pour les presse - papiers et les marbres . Le verre peut être coloré en ajoutant des sels métalliques ou peint et imprimé comme du verre émaillé . Les propriétés de réfraction , de réflexion et de transmission du verre rendent le verre adapté à la fabrication de lentilles optiques , de prismes et de matériaux optoélectroniques . Les fibres de verre extrudées ont une application en tant que fibres optiques dans les réseaux de communication, matériau d'isolation thermique lorsqu'il est recouvert de laine de verre afin de piéger l'air, ou en plastique renforcé de fibres de verre ( fibre de verre ).

Structure microscopique

La structure amorphe de la silice vitreuse (SiO 2 ) en deux dimensions. Aucun ordre à longue distance n'est présent, bien qu'il existe un ordre local par rapport à l' arrangement tétraédrique des atomes d'oxygène (O) autour des atomes de silicium (Si).
Au microscope, un monocristal a des atomes dans un arrangement périodique presque parfait ; un polycristal est composé de nombreux cristaux microscopiques ; et un solide amorphe tel que le verre n'a pas d'arrangement périodique, même au microscope.

La définition standard d'un verre (ou solide vitreux) est un solide formé par trempe rapide à l'état fondu . Cependant, le terme "verre" est souvent défini dans un sens plus large, pour décrire tout solide non cristallin ( amorphe ) qui présente une transition vitreuse lorsqu'il est chauffé vers l'état liquide.

Le verre est un solide amorphe . Bien que la structure à l'échelle atomique du verre partage les caractéristiques de la structure d'un liquide surfondu , le verre présente toutes les propriétés mécaniques d'un solide. Comme dans d'autres solides amorphes , la structure atomique d'un verre n'a pas la périodicité à longue distance observée dans les solides cristallins . En raison des contraintes de liaison chimique , les verres possèdent un degré élevé d'ordre à courte distance par rapport aux polyèdres atomiques locaux . L'idée que le verre s'écoule dans une mesure appréciable sur de longues périodes de temps n'est pas étayée par des recherches empiriques ou une analyse théorique (voir viscosité dans les solides ). Les mesures en laboratoire du flux de verre à température ambiante montrent un mouvement cohérent avec une viscosité du matériau de l'ordre de 10 17 –10 18 Pa.s.

Formation à partir d'un liquide en surfusion

Problème non résolu en physique :

Quelle est la nature de la transition entre une phase fluide ou solide régulière et une phase vitreuse ? "Le problème non résolu le plus profond et le plus intéressant de la théorie de l'état solide est probablement la théorie de la nature du verre et de la transition vitreuse." — PW Anderson

Pour la trempe à l'état fondu, si le refroidissement est suffisamment rapide (par rapport au temps de cristallisation caractéristique ) alors la cristallisation est empêchée et à la place la configuration atomique désordonnée du liquide surfondu est gelée à l'état solide à Tg . La tendance d'un matériau à former un verre lorsqu'il est trempé est appelée capacité de formation de verre. Cette capacité peut être prédite par la théorie de la rigidité . Généralement, un verre existe dans un état structurellement métastable par rapport à sa forme cristalline , bien que dans certaines circonstances, par exemple dans les polymères atactiques , il n'y ait pas d'analogue cristallin de la phase amorphe.

Le verre est parfois considéré comme un liquide en raison de son absence de transition de phase de premier ordre où certaines variables thermodynamiques telles que le volume , l' entropie et l' enthalpie sont discontinues dans la plage de transition vitreuse. La transition vitreuse peut être décrite comme analogue à une transition de phase du second ordre où les variables thermodynamiques intensives telles que l' expansivité thermique et la capacité calorifique sont discontinues, mais cela est incorrect. La théorie de l'équilibre des transformations de phase ne tient pas pour le verre, et donc la transition vitreuse ne peut pas être classée comme l'une des transformations de phase d'équilibre classiques dans les solides. De plus, il ne décrit pas la dépendance de la température de la Tg à la vitesse de chauffage, comme on le trouve dans la calorimétrie différentielle à balayage.

Occurrence dans la nature

Le verre peut se former naturellement à partir du magma volcanique. L'obsidienne est un verre volcanique commun à haute teneur en silice (SiO2) formé lorsque la lave felsique extrudée d'un volcan se refroidit rapidement. L'impactite est une forme de verre formée par l'impact d'une météorite , où la moldavite (trouvée en Europe centrale et orientale) et le verre du désert libyen (trouvé dans les régions du Sahara oriental , les déserts de l'est de la Libye et de l' ouest de l'Égypte ) sont des exemples notables. . La vitrification du quartz peut également se produire lorsque la foudre frappe le sable , formant des structures en forme de racines creuses et ramifiées appelées fulgurites . La trinitite est un résidu vitreux formé à partir du sable du sol du désert sur le site d' essai de la bombe nucléaire de Trinity . Le verre d'Edeowie , trouvé en Australie-Méridionale , proviendrait d' incendies de prairie du Pléistocène , de coups de foudre ou d' impacts à hypervitesse d'un ou plusieurs astéroïdes ou comètes .

Histoire

Coupe cage romaine du IVe siècle av.

Le verre d' obsidienne d'origine naturelle était utilisé par les sociétés de l' âge de pierre car il se fracture le long d'arêtes très coupantes, ce qui le rend idéal pour couper des outils et des armes. La fabrication du verre remonte à au moins 6000 ans, bien avant que les humains aient découvert comment fondre le fer. Des preuves archéologiques suggèrent que le premier vrai verre synthétique a été fabriqué au Liban et sur la côte nord de la Syrie , de la Mésopotamie ou de l'Égypte ancienne . Les premiers objets en verre connus, du milieu du troisième millénaire avant J.-C., étaient des perles , peut-être initialement créées comme sous-produits accidentels du travail des métaux ( scories ) ou lors de la production de faïence , un matériau vitreux pré-verre fabriqué par un procédé similaire au vitrage. . Le verre primitif était rarement transparent et contenait souvent des impuretés et des imperfections, et est techniquement de la faïence plutôt que du vrai verre, qui n'est apparu qu'au XVe siècle av. Cependant, les perles de verre rouge-orange extraites de la civilisation de la vallée de l' Indus et datées d'avant 1700 av. Au cours de l' âge du bronze tardif , la technologie verrière s'est rapidement développée en Égypte et en Asie occidentale . Les découvertes archéologiques de cette période comprennent des lingots de verre colorés , des récipients et des perles. Une grande partie de la production de verre au début reposait sur des techniques de broyage empruntées au travail de la pierre , telles que le broyage et la sculpture du verre à froid.

Le terme verre s'est développé à la fin de l'Empire romain . C'est dans le centre de verrerie romain de Trèves (situé dans l'actuelle Allemagne) que le terme latin tardif glesum est né, probablement d'un mot germanique désignant une substance transparente et brillante . Des objets en verre ont été récupérés à travers l'Empire romain dans des contextes domestiques, funéraires et industriels. Des exemples de verre romain ont été trouvés en dehors de l'ancien Empire romain en Chine , dans les pays baltes , au Moyen-Orient et en Inde . Les Romains ont perfectionné le verre camée , produit par gravure et gravure à travers des couches fusionnées de différentes couleurs pour produire un dessin en relief sur l'objet en verre.

Fenêtres du chœur de la basilique Saint-Denis , l'une des premières utilisations de vastes surfaces vitrées (architecture du début du XIIIe siècle avec des verrières restaurées du XIXe siècle)

Dans l'Afrique de l'Ouest post-classique , le Bénin était un fabricant de verre et de perles de verre. Le verre a été largement utilisé en Europe au Moyen Âge . Du verre anglo-saxon a été trouvé à travers l'Angleterre lors de fouilles archéologiques de sites de peuplement et de cimetières. A partir du Xe siècle, le verre est utilisé dans les vitraux des églises et des cathédrales , avec des exemples célèbres à la cathédrale de Chartres et à la basilique Saint-Denis . Au 14ème siècle, les architectes conçoivent des bâtiments avec des murs de vitraux tels que la Sainte-Chapelle , Paris, (1203-1248) et l'extrémité est de la cathédrale de Gloucester . Avec le changement de style architectural au cours de la période de la Renaissance en Europe, l'utilisation de grands vitraux est devenue beaucoup moins répandue, bien que le vitrail ait connu un renouveau majeur avec l'architecture néo-gothique au XIXe siècle.

Au XIIIe siècle, l'île de Murano , Venise , est devenue un centre de fabrication du verre, s'appuyant sur les techniques médiévales pour produire des pièces ornementales colorées en grande quantité. Les verriers de Murano ont développé le cristallo de verre incolore exceptionnellement clair , ainsi appelé pour sa ressemblance avec le cristal naturel, qui a été largement utilisé pour les fenêtres, les miroirs, les lanternes de navires et les lentilles. Aux XIIIe, XIVe et XVe siècles, l'émaillage et la dorure sur verre se perfectionnent en Égypte et en Syrie. Vers la fin du XVIIe siècle, la Bohême est devenue une région importante pour la production de verre et le restera jusqu'au début du XXe siècle. Au 17ème siècle, le verre dans la tradition vénitienne était également produit en Angleterre . Vers 1675, George Ravenscroft inventa le cristal au plomb, le verre taillé devenant à la mode au XVIIIe siècle. Les objets en verre ornemental sont devenus un médium artistique important pendant la période Art Nouveau à la fin du XIXe siècle.

Tout au long du 20ème siècle, de nouvelles techniques de production de masse ont conduit à une disponibilité généralisée du verre en quantités beaucoup plus importantes, le rendant pratique comme matériau de construction et permettant de nouvelles applications du verre. Dans les années 1920, un procédé de gravure de moule a été développé, dans lequel l'art était gravé directement dans le moule, de sorte que chaque pièce moulée émergeait du moule avec l'image déjà sur la surface du verre. Cela a réduit les coûts de fabrication et, combiné à une utilisation plus large du verre coloré, a conduit à une verrerie bon marché dans les années 1930, qui est devenue plus tard connue sous le nom de verre de dépression . Dans les années 1950, Pilkington Bros. , en Angleterre , a développé le procédé de verre flotté , produisant des feuilles de verre plates de haute qualité sans distorsion en flottant sur de l' étain fondu . Les bâtiments modernes à plusieurs étages sont souvent construits avec des murs-rideaux presque entièrement en verre. Le verre feuilleté a été largement appliqué aux véhicules pour les pare-brise. Le verre optique pour lunettes est utilisé depuis le Moyen Âge. La production de lentilles est devenue de plus en plus efficace, aidant les astronomes et ayant d'autres applications en médecine et en science. Le verre est également utilisé comme couvercle d'ouverture dans de nombreux capteurs d'énergie solaire .

Au 21e siècle, les fabricants de verre ont développé différentes marques de verre renforcé chimiquement pour une application généralisée dans les écrans tactiles des smartphones , des tablettes et de nombreux autres types d' appareils d'information . Ceux - ci comprennent Gorilla verre , développé et fabriqué par Corning , AGC Inc. est Dragontrail et Schott AG est Xensation.

Propriétés physiques

Optique

Le verre est largement utilisé dans les systèmes optiques en raison de sa capacité à réfracter, réfléchir et transmettre la lumière selon l'optique géométrique . Les applications les plus courantes et les plus anciennes du verre en optique sont les lentilles , les fenêtres , les miroirs et les prismes . Les propriétés optiques clés indice de réfraction , dispersion et transmission , du verre dépendent fortement de la composition chimique et, dans une moindre mesure, de son histoire thermique. Le verre optique a généralement un indice de réfraction de 1,4 à 2,4 et un nombre d'Abbe (qui caractérise la dispersion) de 15 à 100. L'indice de réfraction peut être modifié par des additifs de haute densité (augmentation de l'indice de réfraction) ou de faible densité (diminution de l'indice de réfraction). .

La transparence du verre résulte de l'absence de joints de grains qui diffusent la lumière dans les matériaux polycristallins. La semi-opacité due à la cristallisation peut être induite dans de nombreux verres en les maintenant pendant une longue période à une température juste insuffisante pour provoquer la fusion. On obtient ainsi la matière cristalline et dévitrifiée, la porcelaine de verre de Réaumur . Bien que généralement transparents à la lumière visible, les verres peuvent être opaques à d'autres longueurs d'onde de la lumière . Alors que les verres au silicate sont généralement opaques aux longueurs d'onde infrarouges avec une coupure de transmission à 4 µm, les verres au fluorure de métaux lourds et aux chalcogénures sont transparents aux longueurs d'onde infrarouges jusqu'à 7 et jusqu'à 18 µm, respectivement. L'ajout d'oxydes métalliques donne des verres de couleurs différentes car les ions métalliques absorberont les longueurs d'onde de la lumière correspondant à des couleurs spécifiques.

Autre

Dans le processus de fabrication, les verres peuvent être coulés, formés, extrudés et moulés sous des formes allant des feuilles plates aux formes très complexes. Le produit fini est cassant et se fracturera, à moins qu'il ne soit laminé ou trempé pour améliorer sa durabilité. Le verre est généralement inerte, résistant aux attaques chimiques et peut principalement résister à l'action de l'eau, ce qui en fait un matériau idéal pour la fabrication de conteneurs pour les produits alimentaires et la plupart des produits chimiques. Néanmoins, bien que généralement très résistant aux attaques chimiques, le verre se corrode ou se dissout dans certaines conditions. Les matériaux qui composent une composition de verre particulière ont un effet sur la vitesse à laquelle le verre se corrode. Les verres contenant une forte proportion d'éléments alcalins ou alcalino-terreux sont plus sensibles à la corrosion que les autres compositions de verre.

La densité du verre varie avec la composition chimique avec des valeurs allant de 2,2 grammes par centimètre cube (2 200 kg/m 3 ) pour la silice fondue à 7,2 grammes par centimètre cube (7 200 kg/m 3 ) pour le verre flint dense. Le verre est plus résistant que la plupart des métaux, avec une résistance à la traction théorique pour un verre pur et sans défaut estimée à 14 gigapascals (2 000 000 psi) à 35 gigapascals (5 100 000 psi) en raison de sa capacité à subir une compression réversible sans fracture. Cependant, la présence de rayures, de bulles et d'autres défauts microscopiques conduit à une plage typique de 14 mégapascals (2 000 psi) à 175 mégapascals (25 400 psi) dans la plupart des verres commerciaux. Plusieurs procédés tels que la trempe peuvent augmenter la résistance du verre. Des fibres de verre impeccables soigneusement étirées peuvent être produites avec une résistance allant jusqu'à 11,5 gigapascals (1 670 000 psi).

Flux réputé

L'observation selon laquelle les vieilles fenêtres sont parfois plus épaisses en bas qu'en haut est souvent présentée comme une preuve à l'appui de l'idée que le verre s'écoule sur une période de plusieurs siècles, l'hypothèse étant que le verre a présenté la propriété liquide de s'écouler de une forme à l'autre. Cette hypothèse est incorrecte, car une fois solidifié, le verre cesse de couler. Les affaissements et ondulations observés dans le verre ancien étaient déjà là le jour de sa fabrication ; les procédés de fabrication utilisés dans le passé produisaient des feuilles avec des surfaces imparfaites et une épaisseur non uniforme. (Le verre flotté presque parfait utilisé aujourd'hui ne s'est répandu que dans les années 1960.)

Les types

Silicate

Le sable de quartz (silice) est la principale matière première dans la production de verre commercial

Le dioxyde de silicium (SiO 2 ) est un constituant fondamental commun du verre. Le quartz fondu est un verre fabriqué à partir de silice chimiquement pure. Il a une très faible dilatation thermique et une excellente résistance aux chocs thermiques , pouvant survivre à l'immersion dans l'eau lorsqu'il est chauffé au rouge, résiste aux températures élevées (1000–1500 °C) et aux intempéries chimiques, et est très dur. Il est également transparent à une gamme spectrale plus large que le verre ordinaire, s'étendant du visible plus loin dans les gammes UV et IR , et est parfois utilisé lorsque la transparence à ces longueurs d'onde est nécessaire. Le quartz fondu est utilisé pour les applications à haute température telles que les tubes de four, les tubes d'éclairage, les creusets de fusion, etc. Cependant, sa température de fusion élevée (1723 °C) et sa viscosité le rendent difficile à travailler. Par conséquent, normalement, d'autres substances (fondants) sont ajoutées pour abaisser la température de fusion et simplifier le traitement du verre.

chaux sodée

Le carbonate de sodium (Na 2 CO 3 , "soude") est un additif courant et agit pour abaisser la température de transition vitreuse. Cependant, le silicate de sodium est soluble dans l'eau , donc la chaux (CaO, oxyde de calcium , généralement obtenu à partir de calcaire ), un peu d'oxyde de magnésium (MgO) et d'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3 ) sont d'autres composants communs ajoutés pour améliorer la durabilité chimique. Les verres sodocalciques (Na 2 O) + chaux (CaO) + magnésie (MgO) + alumine (Al 2 O 3 ) représentent plus de 75 % du verre fabriqué, contenant environ 70 à 74 % en poids de silice. Le verre silico-calcaire est transparent, facile à former et convient parfaitement au verre à vitres et à la vaisselle. Cependant, il a une dilatation thermique élevée et une faible résistance à la chaleur. Le verre sodocalcique est généralement utilisé pour les fenêtres , les bouteilles , les ampoules et les bocaux .

borosilicate

Les verres borosilicatés (p. ex. Pyrex , Duran ) contiennent généralement 5 à 13 % de trioxyde de bore (B 2 O 3 ). Les verres borosilicatés ont des coefficients de dilatation thermique assez faibles (7740 Pyrex CTE est de 3,25 × 10 6 /°C contre environ 9 × 10 6 /°C pour un verre sodocalcique typique). Ils sont donc moins soumis aux contraintes causées par la dilatation thermique et donc moins vulnérables à la fissuration par choc thermique . Ils sont couramment utilisés pour, par exemple, la vaisselle de laboratoire , les ustensiles de cuisine et les phares de voiture à faisceau scellé .

Mener

L'ajout d' oxyde de plomb (II) dans le verre de silicate abaisse le point de fusion et la viscosité de la masse fondue. La haute densité du verre au plomb (silice + oxyde de plomb (PbO) + oxyde de potassium (K 2 O) + soude (Na 2 O) + oxyde de zinc (ZnO) + alumine) se traduit par une densité électronique élevée, et donc un indice de réfraction élevé , rendant l'aspect de la verrerie plus brillant et provoquant une réflexion spéculaire sensiblement plus élevée et une dispersion optique accrue . Le verre au plomb a une élasticité élevée, ce qui rend la verrerie plus maniable et donne lieu à un son clair de "sonnerie" lorsqu'il est frappé. Cependant, le verre au plomb ne supporte pas bien les températures élevées. L'oxyde de plomb facilite également la solubilité d'autres oxydes métalliques et est utilisé dans le verre coloré. La diminution de la viscosité du verre au plomb fondu est très importante (environ 100 fois par rapport au verre sododé) ; cela permet d'éliminer plus facilement les bulles et de travailler à des températures plus basses, d'où son utilisation fréquente comme additif dans les émaux vitreux et les soudures de verre . Le rayon ionique élevé de l' ion Pb 2+ le rend très immobile et gêne le mouvement des autres ions ; les verres au plomb ont donc une résistance électrique élevée, environ deux ordres de grandeur supérieure au verre sodocalcique (10 8,5 vs 10 6,5  cm, DC à 250 °C).

Aluminosilicate

Le verre aluminosilicaté contient typiquement 5 à 10 % d' alumine (Al 2 O 3 ). Le verre aluminosilicaté a tendance à être plus difficile à fondre et à façonner par rapport aux compositions de borosilicate, mais il a une excellente résistance thermique et durabilité. Le verre aluminosilicaté est largement utilisé pour la fibre de verre , utilisé pour la fabrication de plastiques renforcés de verre (bateaux, cannes à pêche, etc.), d'ustensiles de cuisine et de verre à ampoule halogène.

Autres additifs d'oxyde

L'ajout de baryum augmente également l'indice de réfraction. L'oxyde de thorium donne au verre un indice de réfraction élevé et une faible dispersion et était autrefois utilisé dans la production de lentilles de haute qualité, mais en raison de sa radioactivité, il a été remplacé par l'oxyde de lanthane dans les lunettes modernes. Le fer peut être incorporé dans le verre pour absorber le rayonnement infrarouge , par exemple dans les filtres absorbant la chaleur pour les projecteurs de cinéma, tandis que l'oxyde de cérium (IV) peut être utilisé pour le verre qui absorbe les longueurs d'onde ultraviolettes . Le fluor abaisse la constante diélectrique du verre. Le fluor est hautement électronégatif et diminue la polarisabilité du matériau. Les verres de silicate fluoré sont utilisés dans la fabrication de circuits intégrés en tant qu'isolant.

Vitrocéramique

Une table de cuisson en vitrocéramique à haute résistance avec une dilatation thermique négligeable .

Les matériaux vitrocéramiques contiennent à la fois des phases de verre non cristallin et de céramique cristalline . Ils sont formés par nucléation contrôlée et cristallisation partielle d'un verre de base par traitement thermique. Les grains cristallins sont souvent noyés dans une phase intergranulaire non cristalline des joints de grains . Les vitrocéramiques présentent des propriétés thermiques, chimiques, biologiques et diélectriques avantageuses par rapport aux métaux ou aux polymères organiques.

La propriété commerciale la plus importante des vitrocéramiques est leur imperméabilité aux chocs thermiques. Ainsi, les vitrocéramiques sont devenues extrêmement utiles pour la cuisson sur plan de travail et les processus industriels. Le coefficient de dilatation thermique négatif (CTE) de la phase céramique cristalline peut être équilibré avec le CTE positif de la phase vitreuse. À un certain point (~ 70% cristallin) la vitrocéramique a un CTE net proche de zéro. Ce type de vitrocéramique présente d'excellentes propriétés mécaniques et peut supporter des changements de température répétés et rapides jusqu'à 1000 °C.

Fibre de verre

La fibre de verre (également appelée plastique renforcé de fibres de verre, GRP) est un matériau composite fabriqué en renforçant une résine plastique avec des fibres de verre . Il est fabriqué en faisant fondre du verre et en étirant le verre en fibres. Ces fibres sont tissées ensemble dans un tissu et laissées à fixer dans une résine plastique. La fibre de verre a les propriétés d'être légère et résistante à la corrosion, et est un bon isolant permettant son utilisation comme matériau d'isolation des bâtiments et pour le boîtier électronique des produits de consommation. La fibre de verre était à l'origine utilisée au Royaume-Uni et aux États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale pour fabriquer des radômes . Les utilisations de la fibre de verre comprennent les matériaux de construction, les coques de bateaux, les pièces de carrosserie et les matériaux composites aérospatiaux.

La laine de verre est un excellent matériau d'isolation thermique et acoustique , couramment utilisé dans les bâtiments (par exemple , isolation des combles et des murs creux ), et la plomberie (par exemple , isolation des tuyaux ) et l' insonorisation . Il est produit en forçant le verre fondu à travers un maillage fin par la force centripète et en brisant les fibres de verre extrudées en courtes longueurs à l'aide d'un flux d'air à grande vitesse. Les fibres sont collées avec un spray adhésif et le tapis de laine résultant est coupé et emballé en rouleaux ou en panneaux.

Non-silicaté

Un CD-RW (CD). Le verre chalcogénure constitue la base de la technologie de mémoire à semi-conducteurs réinscriptible pour CD et DVD.

Outre les verres courants à base de silice, de nombreux autres matériaux inorganiques et organiques peuvent également former des verres, notamment des métaux , des aluminates , des phosphates , des borates , des chalcogénures , des fluorures , des germanates (verres à base de GeO 2 ), des tellurites (verres à base de TeO 2 ), des antimonates ( verres à base de Sb 2 O 3 ), arséniates (verres à base d'As 2 O 3 ), titanates (verres à base de TiO 2 ), tantalates (verres à base de Ta 2 O 5 ), nitrates , carbonates , plastiques , acrylique , et de nombreux d'autres substances. Certains de ces verres (par exemple le dioxyde de germanium (GeO 2 , Germania), à bien des égards un analogue structurel des verres de silice, de fluorure , d' aluminate , de phosphate , de borate et de chalcogénure ) ont des propriétés physico-chimiques utiles pour leur application dans les guides d'ondes à fibres optiques dans les réseaux de communication et autres applications technologiques spécialisées.

Les verres sans silice peuvent souvent avoir de mauvaises tendances à former du verre. De nouvelles techniques, y compris le traitement sans conteneur par lévitation aérodynamique (refroidir la masse fondue alors qu'elle flotte sur un flux de gaz) ou la trempe par projection (presser la masse fondue entre deux enclumes ou rouleaux métalliques), peuvent être utilisées pour augmenter la vitesse de refroidissement ou réduire les déclencheurs de nucléation des cristaux.

Métaux amorphes

Échantillons de métal amorphe, avec échelle millimétrique

Dans le passé, de petits lots de métaux amorphes avec des configurations de surface élevée (rubans, fils, films, etc.) ont été produits grâce à la mise en œuvre de vitesses de refroidissement extrêmement rapides. Des fils métalliques amorphes ont été produits en pulvérisant du métal en fusion sur un disque métallique en rotation. Plus récemment, un certain nombre d'alliages ont été produits en couches d'une épaisseur supérieure à 1 millimètre. Ceux-ci sont connus sous le nom de verres métalliques en vrac (BMG). Liquidmetal Technologies vend un certain nombre de BMG à base de zirconium. Des lots d'acier amorphe ont également été produits qui présentent des propriétés mécaniques dépassant de loin celles trouvées dans les alliages d'acier conventionnels.

Des preuves expérimentales indiquent que le système Al-Fe-Si peut subir une transition de premier ordre vers une forme amorphe (appelée « verre q ») lors d'un refroidissement rapide à partir de la masse fondue. Les images de microscopie électronique à transmission (MET) indiquent que le verre q nuclée à partir de la masse fondue sous forme de particules discrètes avec une croissance sphérique uniforme dans toutes les directions. Alors que la diffraction des rayons X révèle la nature isotrope du verre q, il existe une barrière de nucléation impliquant une discontinuité interfaciale (ou surface interne) entre les phases verre et fondu.

Polymères

Les verres polymères importants comprennent les composés pharmaceutiques amorphes et vitreux. Ceux-ci sont utiles car la solubilité du composé est fortement augmentée lorsqu'il est amorphe par rapport à la même composition cristalline. De nombreux produits pharmaceutiques émergents sont pratiquement insolubles sous leurs formes cristallines. De nombreux thermoplastiques polymères familiers d'utilisation quotidienne sont des verres. Pour de nombreuses applications, comme les bouteilles en verre ou les lunettes , les verres polymères ( verre acrylique , polycarbonate ou polyéthylène téréphtalate ) sont une alternative plus légère au verre traditionnel.

Liquides moléculaires et sels fondus

Les liquides moléculaires, les électrolytes , les sels fondus et les solutions aqueuses sont des mélanges de différentes molécules ou ions qui ne forment pas un réseau covalent mais interagissent uniquement par de faibles forces de van der Waals ou par des liaisons hydrogène transitoires . Dans un mélange de trois espèces ioniques ou plus de taille et de forme différentes, la cristallisation peut être si difficile que le liquide peut facilement être surfondu dans un verre. Les exemples incluent LiCl : R H 2 O (une solution de sel de chlorure de lithium et de molécules d'eau) dans la plage de composition 4 < R < 8. verre de sucre , ou Ca 0,4 K 0,6 (NO 3 ) 1,4 . Les électrolytes en verre sous forme de verre Li dopé au Ba et de verre Na dopé au Ba ont été proposés comme solutions aux problèmes identifiés avec les électrolytes liquides organiques utilisés dans les cellules de batterie lithium-ion modernes.

Production

Déchargement robotisé du verre flotté

Après la préparation et le mélange des lots de verre , les matières premières sont transportées vers le four. Le verre sodocalcique destiné à la production de masse est fondu dans des unités à gaz . Les fours à plus petite échelle pour les verres spéciaux comprennent les fondoirs électriques, les fours à pot et les réservoirs journaliers. Après fusion, homogénéisation et affinage (élimination des bulles), le verre est formé . Le verre plat pour fenêtres et applications similaires est formé par le procédé du verre flotté , développé entre 1953 et 1957 par Sir Alastair Pilkington et Kenneth Bickerstaff de Pilkington Brothers au Royaume-Uni, qui ont créé un ruban de verre continu à l'aide d'un bain d'étain fondu sur lequel le verre fondu s'écoule sans entrave sous l'influence de la gravité. La surface supérieure du verre est soumise à de l'azote sous pression pour obtenir une finition polie. Le verre d'emballage pour bouteilles et bocaux courants est formé par des méthodes de soufflage et de pressage . Ce verre est souvent légèrement modifié chimiquement (avec plus d'alumine et d'oxyde de calcium) pour une plus grande résistance à l'eau.

Soufflage de verre

Une fois la forme souhaitée obtenue, le verre est généralement recuit pour éliminer les contraintes et augmenter la dureté et la durabilité du verre. Des traitements de surface, des revêtements ou un laminage peuvent suivre pour améliorer la durabilité chimique ( revêtements des récipients en verre , traitement interne des récipients en verre ), la résistance ( verre trempé, verre pare - balles , pare - brise ) ou les propriétés optiques ( vitrage isolant , revêtement antireflet ).

De nouvelles compositions chimiques de verre ou de nouvelles techniques de traitement peuvent être initialement étudiées dans des expériences de laboratoire à petite échelle. Les matières premières des verres fondus à l'échelle du laboratoire sont souvent différentes de celles utilisées dans la production de masse car le facteur coût n'a pas la priorité. En laboratoire, la plupart des produits chimiques purs sont utilisés. Il faut veiller à ce que les matières premières n'aient pas réagi avec l'humidité ou d'autres produits chimiques dans l'environnement (tels que les oxydes et hydroxydes de métaux alcalins ou alcalino-terreux , ou l'oxyde de bore ), ou que les impuretés soient quantifiées (perte au feu). Les pertes par évaporation pendant la fusion du verre doivent être prises en compte lors de la sélection des matières premières, par exemple, le sélénite de sodium peut être préféré au dioxyde de sélénium (SeO 2 ) qui s'évapore facilement . De même, des matières premières réagissant plus facilement peuvent être préférées à des matières relativement inertes , telles que l'hydroxyde d'aluminium (Al(OH) 3 ) plutôt que l' alumine (Al 2 O 3 ). Habituellement, les fusions sont effectuées dans des creusets en platine pour réduire la contamination par le matériau du creuset. L' homogénéité du verre est obtenue en homogénéisant le mélange de matières premières ( lot de verre ), en remuant la masse fondue, et en broyant et refondant la première masse fondue. Le verre obtenu est généralement recuit pour éviter la casse pendant le traitement.

Couleur

La couleur du verre peut être obtenue par addition d'ions chargés électriquement répartis de manière homogène (ou centres de couleur ). Alors que le verre sodocalcique ordinaire apparaît incolore dans les sections minces, les impuretés d' oxyde de fer (II) (FeO) produisent une teinte verte dans les sections épaisses. Du dioxyde de manganèse (MnO 2 ), qui donne au verre une couleur pourpre, peut être ajouté pour éliminer la teinte verte donnée par FeO. Les additifs FeO et oxyde de chrome (III) (Cr 2 O 3 ) sont utilisés dans la production de bouteilles vertes. L'oxyde de fer (III) , d'autre part, produit du verre jaune ou jaune-brun. De faibles concentrations (0,025 à 0,1 %) d' oxyde de cobalt (CoO) produisent un verre de cobalt d'un bleu profond et riche . Le chrome est un agent colorant très puissant, donnant un vert foncé. Le soufre combiné aux sels de carbone et de fer produit un verre ambré allant du jaunâtre au presque noir. Un verre fondu peut également acquérir une couleur ambrée à partir d'une atmosphère de combustion réductrice. Le sulfure de cadmium produit du rouge impérial et, combiné au sélénium, peut produire des nuances de jaune, d'orange et de rouge. L'additif oxyde de cuivre(II) (CuO) produit une couleur turquoise dans le verre, contrairement à l' oxyde de cuivre(I) (Cu 2 O) qui donne une couleur brun-rouge terne.

Les usages

Le gratte-ciel de verre Shard , à Londres .

Architecture et fenêtres

Le verre sodocalcique est généralement utilisé comme matériau de vitrage transparent , généralement comme fenêtres dans les murs extérieurs des bâtiments. Les produits en verre flotté ou laminé sont coupés à la taille soit en marquant et en cassant le matériau, en coupant au laser , en jets d'eau ou en scie à lame diamantée . Le verre peut être trempé thermiquement ou chimiquement (renforcé) pour plus de sécurité et plié ou bombé pendant le chauffage. Des revêtements de surface peuvent être ajoutés pour des fonctions spécifiques telles que la résistance aux rayures, le blocage de longueurs d'onde spécifiques de la lumière (par exemple, infrarouge ou ultraviolet ), la résistance à la saleté (par exemple, le verre autonettoyant ) ou des revêtements électrochromes commutables .

Les systèmes de vitrage structurel représentent l'une des innovations architecturales les plus importantes des temps modernes, où les bâtiments en verre dominent souvent les horizons de nombreuses villes modernes . Ces systèmes utilisent des raccords en acier inoxydable noyés dans des évidements dans les coins des panneaux de verre permettant aux vitres renforcées d'apparaître sans support créant un extérieur affleurant. Les systèmes de vitrage structurel ont leurs racines dans les conservatoires de fer et de verre du XIXe siècle

Vaisselle

Le verre est un composant essentiel de la vaisselle et est généralement utilisé pour les verres à eau, à bière et à vin . Les verres à vin sont généralement des verres à pied , c'est-à-dire des gobelets formés à partir d'un bol, d'une tige et d'un pied. Le verre en cristal ou en cristal au plomb peut être taillé et poli pour produire des verres à boire décoratifs aux facettes brillantes. Les autres utilisations du verre dans la vaisselle comprennent les carafes , les cruches , les assiettes et les bols .

Emballage

La nature inerte et imperméable du verre en fait un matériau stable et largement utilisé pour l'emballage des aliments et des boissons sous forme de bouteilles et de bocaux en verre . La plupart des récipients en verre sont du verre sodocalcique , produit par des techniques de soufflage et de pressage . Le verre d'emballage a une teneur en oxyde de magnésium et en oxyde de sodium inférieure à celle du verre plat, et une teneur plus élevée en silice , oxyde de calcium et oxyde d'aluminium . Sa teneur plus élevée en oxydes insolubles dans l'eau confère une résistance chimique légèrement supérieure à l'eau, ce qui est avantageux pour le stockage des boissons et des aliments. Les emballages en verre sont durables, facilement recyclés, réutilisables et rechargeables.

Pour les applications électroniques, le verre peut être utilisé comme substrat dans la fabrication de dispositifs passifs intégrés , de résonateurs acoustiques en vrac à couche mince et comme matériau d' étanchéité hermétique dans l'emballage de dispositifs, y compris l'encapsulation très mince à base de verre uniquement de circuits intégrés et d'autres semi-conducteurs dans volumes de fabrication élevés.

Laboratoires

Le verre est un matériau important dans les laboratoires scientifiques pour la fabrication d'appareils expérimentaux car il est relativement bon marché, facilement façonné dans les formes requises pour l'expérimentation, facile à nettoyer, peut supporter un traitement thermique et froid, est généralement non réactif avec de nombreux réactifs , et sa transparence permet l'observation des réactions et processus chimiques. Les applications de verrerie de laboratoire comprennent les flacons , les boîtes de Pétri , les tubes à essai , les pipettes , les cylindres gradués , les récipients métalliques doublés de verre pour le traitement chimique, les colonnes de fractionnement , les tuyaux en verre, les lignes Schlenk , les jauges et les thermomètres . Bien que la plupart des verreries de laboratoire standard soient produites en série depuis les années 1920, les scientifiques emploient toujours des souffleurs de verre qualifiés pour fabriquer des appareils en verre sur mesure pour leurs besoins expérimentaux.

Optique

Le verre est un matériau omniprésent en optique en raison de sa capacité à réfracter , réfléchir et transmettre la lumière. Ces propriétés optiques et d'autres peuvent être contrôlées en faisant varier les compositions chimiques, le traitement thermique et les techniques de fabrication. Les nombreuses applications du verre en optique comprennent les lunettes pour la correction de la vue, l'imagerie optique (par exemple les lentilles et les miroirs dans les télescopes , les microscopes et les caméras ), les fibres optiques dans la technologie des télécommunications et l' optique intégrée . Les microlentilles et les optiques à gradient d'indice (où l' indice de réfraction n'est pas uniforme) trouvent une application, par exemple, dans la lecture de disques optiques , d' imprimantes laser , de photocopieurs et de diodes laser .

De l'art

Partie de panneau de vitrail allemand de 1444 avec la Visitation ; pot en verre coloré en métal de diverses couleurs, y compris le verre blanc, la peinture vitreuse noire, la tache d'argent jaune, et les parties "vert olive" sont en émail. Les motifs végétaux dans le ciel rouge sont formés en grattant la peinture noire du verre rouge avant la cuisson. Un panneau restauré avec de nouveaux plombs est venu.

Verre dates d'art au moins 1300 avant JC présentée comme un exemple de verre naturel trouvé dans le pectoral de Toutankhamon, qui contenait aussi l' émail vitreux , c'est - à - dire, verre fondu couleur utilisé sur un support métallique. Verre émaillé , la décoration des récipients en verre avec des peintures de verre coloré, existe depuis 1300 avant JC, et était au premier plan au début du 20ème siècle , avec verre Art Nouveau et celui de la Chambre des Fabergé à Saint - Pétersbourg, en Russie. Les deux techniques ont été utilisées dans le vitrail , qui a atteint son apogée entre 1000 et 1550 environ, avant un renouveau au XIXe siècle.

Le 19ème siècle a vu un renouveau des anciennes techniques de fabrication du verre , y compris le verre camée , réalisé pour la première fois depuis l'Empire romain, initialement principalement pour des pièces de style néo-classique . Le mouvement Art Nouveau a fait un grand usage du verre, avec René Lalique , Émile Gallé et Daum de Nancy dans la première vague française du mouvement, produisant des vases colorés et des pièces similaires, souvent en verre camée ou en verre brillant .

Louis Comfort Tiffany en Amérique s'est spécialisé dans le vitrail , à la fois profane et religieux, en panneaux et ses célèbres lampes. Le début du 20e siècle a vu la production en usine à grande échelle d'art du verre par des entreprises telles que Waterford et Lalique . Les petits studios peuvent produire à la main des œuvres d'art en verre. Les techniques de production d'art du verre comprennent le soufflage , la coulée au four, la fusion, l'affaissement, la pâte de verre , le travail à la flamme, la sculpture à chaud et le travail à froid. Le travail à froid comprend le travail du vitrail traditionnel et d'autres méthodes de façonnage du verre à température ambiante. Les objets en verre comprennent des récipients, des presse - papiers , des marbres , des perles , des sculptures et des installations artistiques .

Voir également

Les références

Liens externes