Présentation
NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article AF3601 intitulé « Verres propriétés et applications » rédigé par Jean PHALIPPOU et paru en 2001.
RÉSUMÉ
Cet article présente les propriétés optiques et mécaniques des verres et souligne les particularités des différentes familles (verres d’oxydes, de fluorures et de chalcogénures). Des traitements thermiques ou chimiques permettant d’améliorer la résistance des verres sont décrits. L’article donne les domaines d’applications des verres en relation avec leurs propriétés optiques : fibres pour les télécommunications, fibres laser, fibres pour capteurs chimiques et biochimiques.
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This article presents the optical and mechanical properties of glasses, and highlights the specific features of the different families (oxide, fluoride and chalcogenide glasses). Thermal and chemical treatments for improving the strength of the glasses are described. The article gives the application fields of glasses in relation to their optical properties: fibers for telecommunication, fiber lasers, and fibers for chemical and biochemical sensors.
Auteur(s)
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Jean PHALIPPOU : Professeur à l’Institut des Sciences de l’Ingénieur de Montpellier (ISIM) - Département Matériaux - Laboratoire des Verres, UMR CNRS n 5587 - Université de Montpellier II
INTRODUCTION
Les propriétés des verres d’oxyde et, en conséquence, leurs applications ont été améliorées au cours des siècles. Objet décoratif, le verre est devenu ensuite un objet d’usage commun d’abord utilisé en tant que récipient étanche, puis en tant que matériau transparent.
L’émergence de familles de verre de chalcogénures ou de fluorures étend encore les potentialités de ce matériau hors du commun.
Un intérêt majeur des verres réside dans le fait que toute propriété peut être variée de manière continue par modification de composition. Or les modifications de composition sont aisément réalisables et quasiment infinies. De plus il est possible de prédire la valeur d’une propriété sur la base de relations empi-riques d’additivité, chacun des constituants amenant une participation pondérée à la propriété recherchée.
Le faible coût des matières premières nécessaires à sa synthèse et son excellente transparence font du verre un matériau unique. Sa mise en forme est aisée. Par simple variation de température il est possible, à partir d’une même composition verrière, de réaliser des objets creux, des plaques, des fibres, ou des microbilles. Sous ces différentes formes et allié à d’autres matériaux, le verre fait partie de notre environnement (renfort de plastiques, peintures réfléchissantes, articles de sport...).
Sa dureté appréciable autorise un excellent état de surface et de poli. Seuls les matériaux de très grande dureté peuvent en rayer la surface.
Un verre peut être infiniment soluble mais un autre, de composition différente, s’avérera pratiquement totalement inaltérable. Ce dernier devient ainsi un matériau de choix pour confiner, dans un volume réduit, étanche et inaltérable, des produits susceptibles de dégrader notre environnement. De plus, dans de nombreux cas, ces produits indésirables sont entièrement solubilisés et font partie intégrante du réseau vitreux.
Le verre peut être inerte, mais peut aussi jouer le rôle d’un milieu réactionnel modulable à volonté par simple variation de la température. Les verres photochromatiques réversibles et les vitrocristallins sont deux exemples d’application d’un contrôle réactionnel et du contrôle d’une transformation physique dans un verre.
Si ce matériau présente un faisceau de propriétés avantageuses, comme les céramiques, il reste néanmoins un matériau fragile. Des efforts considérables ont été réalisés pour repousser les seuils de contrainte auxquels le verre se rompt et pour minimiser les effets de sa rupture.
Le verre, par sa transparence ou sa couleur, est un élément de l’architecture moderne. Cela a pour conséquence d’orienter les verriers dans des recherches concernant la masse du verre (transparence, couleur), mais aussi dans des recherches concernant des modifications de surface par dépôt de couches. Initialement, les couches avaient des fonctions optiques, mais elles peuvent, par effet photocatalytique, entraîner la dégradation des salissures de nature organique. Le vitrage devient autonettoyant.
Le verre permet de confiner les photons dans des fibres ou dans des couches de quelques micromètres.
Les progrès réalisés dans la pureté des verres ont permis la réalisation des fibres pour télécommunications. Il s’agit là de la première évolution technique où l’électron a été remplacé par un photon guidé.
Les sculpteurs et artistes verriers ont su grâce à sa transparence, à l’éclat de sa surface, modeler le verre pour en exprimer sa beauté.
L’article « Verres » fait l’objet de deux fascicules :
AF 3 600 Aspects théoriques
AF 3 601 Propriétés et applications
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres.
Le lecteur devra assez souvent se reporter à l’autre fascicule.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
glass | corrosion | thermo-mechanical | optical
VERSIONS
- Version courante de avr. 2018 par Brigitte BOULARD, Jean-Luc ADAM
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Verres spéciaux3. Corrosion des verres
Les verres industriels sont réputés pour leur inertie chimique. Les verres de laboratoire permettent le contrôle visuel des réactions et ne sont pas altérés par les agents et les produits de la réaction. En fait, leur composition a été optimisée de manière à ce qu'ils présentent une grande durabilité. Néanmoins, on conçoit aisément que le verre étant un état de la matière, il existe aussi des verres dont la durabilité chimique est telle qu'ils se dissolvent dans les solutions aqueuses. Dans les verres d'oxydes, la durabilité chimique va dépendre de nombreux paramètres.
3.1 Durabilité chimique
La durabilité chimique est l'expression de la résistance du matériau à un environnement. Pour un verre, elle exprime sa résistance à la dégradation dans les solutions aqueuses. Cette grandeur est généralement rapportée à l'unité de surface de matière par unité de temps. Les tests de corrosion sont adaptés à la fonction du verre, mais, en général, on exprime la perte en masse par unité de temps de l'échantillon dont le volume est bien inférieur à celui de la solution corrosive.
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Dans les verres de silicates classiques contenant des oxydes alcalins, l'ion alcalin est très mobile. La surface d'un verre, laissé au contact de l'air, s'enrichit progressivement en alcalin qui réagit avec le CO2 ambiant pour donner un carbonate soluble.
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Au contact d'une solution aqueuse de pH neutre, le sodium est échangé par les protons de la solution suivant le schéma réactionnel.
Une solution acide favorise cet échange ; une solution basique, à base de sel de sodium, limite cette réaction. La conséquence directe d'une corrosion menée sans renouvellement d'eau est que le pH d'une eau pure augmente progressivement en raison de la libération des alcalins du verre.
L'échange ionique est cependant moindre si l'ion alcalin joue le rôle de compensateur de charge au voisinage de groupes (AlO4)– ou (BO4)–.
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Le deuxième type de mécanisme impliqué dans la corrosion est l'hydrolyse du réseau selon la réaction :
Cette réaction, favorisée en milieu basique (OH–) est une attaque nucléophile nécessitant un réarrangement atomique. Les atomes de silicium liés...
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