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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Corrosion des verres2. Propriétés mécaniques des verres
2.1 Caractéristiques mécaniques en fonction de la température
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À température ambiante, loin de la température de transition vitreuse, le verre possède une viscosité supérieure à 1919 Pa.s (ou 1919 Pl). Il peut être considéré comme un solide. Sous l'effet d'une contrainte de tension σ croissante, la déformation varie proportionnellement à la contrainte, et cela jusqu'à la rupture. La rupture survient brutalement sans qu'elle puisse être détectée préalablement. On dit que le verre est un matériau fragile. Il ne présente aucune plasticité macroscopique.
En fait, l'expérience de tension ne peut être correctement effectuée que pour les fibres de faible diamètre. Dans la plupart des cas, le module d'Young E, est obtenu par des essais de flexion trois points ou quatre points en statique. En dynamique, on utilise la mise en résonance de barreaux ou la propagation d'ondes longitudinales et transversales générées par des matériaux piézoélectriques.
Dans l'expérience précédente, le comportement du verre est celui d'un solide de Hooke :
σ = Eεoù ε est la déformation.
Le verre étant isotrope, le couple de modules E et G (module de cisaillement) est suffisant pour calculer les autres modules élastiques et le coefficient de Poisson ν :
E = 2G (1 + ν)Le verre montre un comportement élastique quasiment parfait jusqu'à des températures proches de la transition vitreuse. Cependant, certains verres, contenant des ions extrêmement mobiles (ions alcalins), peuvent présenter une faible élasticité différée (anélasticité) associée à la diffusion sous contrainte de ces ions. Cette élasticité différée est le plus souvent analysée en soumettant le verre à une contrainte sinusoïdale (pendule de torsion, résonance de barreau, propagation d'ondes ultrasonores). Le déphasage entre la contrainte et la déformation, défini par tan δ est aussi appelé frottement interne [42].
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Dans le domaine de transition, le comportement du matériau devient viscoélastique. Pour une contrainte rapidement appliquée, le matériau présente une élasticité dont une partie est différée. Pour une contrainte augmentant lentement, le matériau se comporte...
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