Les différents types de verres

Figure 1-4 Photo d’un verre lunaire (4)

Figure 1-5 Photos de diatomites (5; 6)

Les verres naturels sont le témoin de l’histoire de notre planète. Ils proviennent de différentes origines. Ils peuvent venir des volcans, avec par exemple les obsidiennes. Elles servaient d’armes, lorsqu’elles étaient taillées. Elles étaient également utilisées comme bijoux ou comme miroirs. Ces verres contenant de la silice, de l’alumine, des alcalins et du fer sont très foncés à cause

de ce dernier. Ces obsidiennes proviennent des coulées de laves. Elles ont une viscosité élevée et ont la capacité de devenir un solide sans cristallisation. D’autres verres, comme les ponces et les tachylites, sont issus des volcans. Les premiers viennent de l’éjection de bouchons de magma de la cheminée volcanique. Les seconds sont similaires au basalte, en composition. Sous forme de poudres, ce dernier recouvre les fonds océaniques. Une deuxième catégorie de verres naturels minéraux existe. Ils sont d’origine volcanique mais externe. Ces verres sont produits par une élévation brutale de la température d’une roche siliceuse. Les verres lunaires (Figure 1-4) sont également des verres minéraux. Ces verres viennent du sol riche en roche vitreuse et de l’impact des météorites. Les expéditions Apollo ont permis de rapporter des spécimens de ces verres qui ont suscité de nombreuses études. Elles ont prouvé l’existence d’une double transformation de ces verres. La deuxième catégorie de verres naturels regroupe les verres biochimiques. Ils sont composés principalement de silice. Les fonds marins regorgent d’une grande quantité de silice sous différentes formes. Cette silice provient des coquilles de végétaux unicellulaires et des squelettes des éponges.

La synthèse biologique de la silice se fait dans des conditions de température et de pH doux. Les diatomites (Figure 1-5) sont formées de roches extrêmement poreuses. Ces verres sont très friables si bien qu’ils sont réduits en poudre et qu’ils sont utilisés dans l’industrie comme agents de polissage, comme éléments filtrants ou comme isolants thermiques.

Figure 1-6 Photo d’une spicule (7)

Les spicules (Figure 1-6) constituent les squelettes de différents types d’éponges, soit en calcaire, soit en silice. Ces éponges utilisent leur squelette pour s’ancrer dans la paroi et éviter d’être emportées par les courants marins. Un autre type d’éponge utilise leur squelette comme conducteur de lumière.

1.3.2. Les verres de chalcogénures

Figure 1-7 Photo de verres de chalcogénures (8; 9)

Figure 1-8 Photo de l’utilisation d’une caméra infrarouge d’aide à la conduite (8)

Ce type de verre a été découvert en 1980. Il est principalement utilisé pour sa capacité à transmettre dans l’infrarouge et à être dopé. Ces verres sont composés de tellure, de souffre et de sélénium. Ils peuvent être composés d’autres éléments comme du gallium ou du germanium. Ces verres sont difficiles à synthétiser à cause du degré de pureté élevé qu’ils demandent ainsi que les risques d’explosions liés au souffre lors de la chauffe. Ces verres sont préparés dans des ampoules de silice préalablement nettoyées et placées sous vide. L’homogénéisation des composés se fait lors du chauffage entre 800 et 1000°C par le basculement du four à bascule. Le liquide en fusion, ainsi, appareils de transmission de puissance ou en spectroscopie infrarouge en tant que senseur. On les retrouve également dans les fibres optiques, dans les guides d’ondes ainsi que dans les cellules photovoltaïques peu couteuses. Un dopage avec une terre-rare lui permet d’être utilisé dans l’optique active.

1.3.3. Les verres silicatés

Les verres de silice font partie de la famille des verres d’oxydes. C’est la plus grande famille de verres qui existe. Ces verres d’oxydes peuvent avoir une multitude de compositions. Ils peuvent être faits avec un seul formateur, comme les verres de silice pure, ou avec deux formateurs comme l’association du bore et de la silice. Les alcalins, les alcalino-terreux et les terreux peuvent venir s’ajouter aux formateurs créant ainsi de nouvelles compositions. Il existe, par conséquent, une multitude de compositions verrières. Les prochains paragraphes traiteront des trois groupes de verres silicatés : les borosilicates, les aluminosilicates et les silico-sodo-calciques, dont ces deux derniers seront utilisés dans ce travail.

1.3.3.1. Les verres au bore

Ces verres d’oxydes sont composés de deux formateurs B2O3 et de SiO2. L’ajout de B2O3 dans la silice permet d’améliorer de manière significative la résistance du matériau aux chocs thermiques.

En 1880, il y a un élargissement de la gamme des verres optiques par l’ajout de bore. L’entreprise

« Corning » est l’entreprise qui développe le plus les verres au bore. Leur but était de remédier aux problèmes de chocs thermiques des lanternes des wagons de chemins de fer. De nos jours, ils ont

une très large place dans les laboratoires de chimie et pharmaceutiques, grâce à leurs propriétés de résistance à la corrosion et aux chocs thermiques. En chimie, les études nécessitant une calcination obligent l’utilisation de verres ayant une température de transition vitreuse élevée, à 730°C. En général, ces verres sont composés de bore, d’alumine et d’alcalino-terreux avec une très faible quantité d’alcalins. Les verres « pyrex » sont les plus connus des verres utilisés dans le domaine culinaire. Ils ont une température de transition moins importante que le précédent verre, à 560°C.

Ces verres ont donc une multitude d’applications différentes grâce aux diverses propriétés remarquables qu’ils possèdent. Les principales propriétés sont la résistance aux chocs thermiques et à la corrosion. Ils peuvent subir de nombreuses transformations comme le trempage, le feuilletage ou le bombage. Ces verres peuvent être soit plat soit creux.

1.3.3.2. Les verres alumino-silicatés

Il existe différents types de verres d’aluminosilicates regroupés selon une lettre. Les verres de type E sont des verres contenant de la silice, de l’alumine et du calcium. Ils sont principalement utilisés pour leurs propriétés électriques. Ces verres sont de très bons isolants et ils résistent à la chaleur. Ils ont été fabriqués sous forme de tissus afin de pouvoir être intégrés dans des appareils électriques à haute puissance. Les deuxièmes types de verres sont de types S et R. Ils sont composés de silice et d’alumine mais le calcium est remplacé par du magnésium. Ces verres ont de meilleures propriétés mécaniques que les précédents. De plus, ils ont une très bonne résistance à la corrosion.

Leur problème est leur température d’élaboration qui est extrêmement élevée (1700°C). Cette caractéristique limite donc leur création et leur utilisation. Ces verres sont réservés aux composites hauts de gammes, comme les pales des hélicoptères. Le mélange de ces verres d’aluminosilicates avec une résine a permis une amélioration des propriétés mécaniques. Ce mélange à la fois imputrescible et incombustible a permis son utilisation dans de nombreux domaines comme les transports, le bâtiment mais aussi dans la marine de plaisance.

L’avantage de ces verres est qu’ils peuvent subir de nombreuses transformations avec des trempes chimiques grâce à la grande diffusivité des ions alcalins et à leur température de transition vitreuse qui est élevée.

1.3.3.3. Les verres sodo-calciques

Les verres sont composés essentiellement de silice, de sodium et de calcium. D’autres éléments peuvent y être introduit mais en faible quantité. Ces verres sont les plus répandus. Ils représentent 90% des ventes de verres. Cette forte vente est due au faible coût de revient des matières premières et à la température modérée d’élaboration. Cette température est liée au taux d’alcalins (le sodium) élevé, qui permet d’abaisser la température de fusion de la silice. Mais ces verres sont solubles dans l’eau. Ce problème est réglé par l’ajout de calcium. La vente importante de ces verres est également liée au procédé de fabrication. Le procédé float, qui est un procédé de coulée sur un bain d’étain en fusion permet de fabriquer ce verre en grande quantité. Il permet de sortir des plaques de verres de grandes dimensions, jusqu’à 5m et d’épaisseur variable entre 1 et 25mm. Pour plus de détails, ce procédé sera développé en annexe A.

Ces verres sont utilisés dans de nombreux domaines, qui passent par l’industrie, les luminaires, avec par exemple les ampoules, la décoration et l’architecture. Mais ces verres ont comme principal défaut d’être peu résistant à la température. Ils peuvent être utilisés jusqu’à 90°C. En contrepartie, ils ont la propriété d’être stables chimiquement. L’ajout en faible quantité d’alumine permet d’améliorer leur résistance à l’eau. L’ajout de MgO, qui vient remplacer du CaO, permet de diminuer leur température de liquidus et d’être visqueux en début de formage.

Il existe bien d’autres compositions de verres silicates et bien d’autres types de verres comme les halogènes ou les verres au plomb.

Bien que peu de types de verres soient détaillés ici, le monde actuel regorge de très nombreux types de verres différents, ayant chacun leur application bien spécifique. Les études menées jusqu’à ce jour montrent que le verre est un matériau difficile à définir et qui possède encore de très nombreuses questions sans réponses. Le prochain paragraphe exposera les faits et les propriétés connus du verre en partant de sa définition jusqu’à sa conception avec le rôle des différents éléments qui le constituent et qui font de lui un matériau si particulier et si fascinant.