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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Brigitte BOULARD : Maître de Conférences - Institut des Molécules et Matériaux du Mans, UMR CNRS 6283, Le Mans Université, Le Mans, France
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Jean-Luc ADAM : Directeur de Recherche CNRS - Institut des Sciences Chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université de Rennes 1, Rennes, France
INTRODUCTION
Grâce à l’amélioration des techniques de fabrication des verres d’oxydes et à la modification de leur composition, les domaines d’applications de ce matériau se sont diversifiés au cours de siècles. L’émergence de familles de verre de chalcogénures ou de fluorures, de verres métalliques étend encore les potentialités de ces matériaux hors du commun.
Le verre possède des qualités thermo-mécaniques remarquables. Sa mise en forme (verre creux, verre plat, fibre ou microbille) est aisée. Sa dureté appréciable autorise un excellent état de surface et de poli. Seuls les matériaux de très grande dureté peuvent en rayer la surface. Le verre est cependant un matériau fragile, mais des traitements spécifiques permettent d’augmenter sa résistance sous contrainte et de minimiser les effets de sa rupture. En contrôlant la recristallisation partielle de certains verres, on peut obtenir des vitrocéramiques transparentes dont les propriétés mécaniques sont nettement supérieures à celles du verre parent.
Le verre est un matériau étanche avec une bonne durabilité chimique et donc largement utilisé pour le conditionnement des liquides, et également pour le confinement de déchets (radioactifs par exemple). De par sa transparence ou sa couleur, il est aussi un élément de l’architecture moderne. En modifiant sa surface par dépôt de couches, de nouvelles fonctions chimiques ou optiques peuvent être obtenues (hydrophobe, autonettoyant, antireflet, isolant thermique, etc).
Il est possible de faire varier de façon continue les propriétés optiques des verres par modification de leur composition et aussi de prédire la valeur de ces propriétés sur la base de relations empiriques simples. Ainsi, on peut corriger des défauts de vision, des aberrations chromatiques en choisissant les verres adéquats. Le principe de propagation de la lumière dans une fibre optique ou un guide planaire a permis le développement des réseaux de télécommunications modernes et des lasers. Les verres de chalcogénures transparents dans l’infrarouge ont permis le développement de dispositifs pour l’imagerie nocturne, de capteurs chimiques et biochimiques très sélectifs.
L’objectif de l’article est de fournir les informations essentielles sur la composition et les diverses propriétés des matériaux vitreux. Il décrit l’évolution des procédés de fabrication et de la recherche de nouveaux verres fonctionnels en réponse aux attentes dans les domaines de l’énergie, de l’optique et du développement durable.
Cet article fait suite à l’article [AF 3600] « Aspects théoriques ».
Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des sigles utilisés.
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MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 2001 par Jean PHALIPPOU
DOI (Digital Object Identifier)
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Propriétés mécaniques des verres
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1. Les verres et l’optique
Le verre, matériau homogène et isotrope, présente des propriétés intrinsèques uniques dans le domaine de l’optique. Le verre est homogène à des échelles de longueur bien inférieures à celles des longueurs d’onde du visible. S’il est préparé dans de bonnes conditions, il ne contient aucune imperfection pouvant entraîner une réfraction ou une réflexion interne de la lumière incidente.
Les verres d’oxydes et quelques verres fluorés sont retenus pour la plupart des applications optiques dans le domaine du visible. Leur transparence n’est pas leur seul atout. Les verres d’oxydes minéraux ont une dureté supérieure aux aciers usuels. Ils peuvent surtout être facilement mis en forme par moulage, pressage ou étirage. Par un pressage de haute précision, on atteint maintenant une précision dimensionnelle meilleure que le centième de millimètre avec des rugosités inférieures à 10 nm. Certaines lentilles asphériques sont réalisées par pressage. La fabrication des fibres optiques pour télécommunications est réalisée par étirage.
À température ambiante ou peu élevée (hors du domaine de relaxation), la géométrie de la surface d’un verre n’est pas évolutive dans le temps.
Une surface de qualité optique est obtenue par polissage. Le polissage et l’état final de la surface dépendent de la nature du verre, du grain d’abrasif, du support permettant le transfert de pression et du fluide. Les abrasifs les plus utilisés sont CeO2, Fe2O3, Cr2O3, ZrO2, Al2O3 et le diamant. Il est maintenant admis que, lors du polissage, une couche hydratée se forme à la surface du verre. La formation de cette couche dépend de la nature du verre et du fluide utilisé. Cette couche subit l’action des grains abrasifs. Un grain de dureté moyenne comme CeO2 et un support élastique ou viscoélastique (polyuréthane) donnent d’excellents résultats.
1.1 Transparence et couleur
La transparence d’un verre est une notion liée à la transmission optique définie par la loi de Beer Lambert :
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Les verres et l’optique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BRUHAT (G.) - Cours de Physique Générale. Optique. - Masson et Cie, p. 405 (1965).
-
(2) - BAMFORD (C.R.) - Colour generation and control in glass, - Elsevier (N.Y.) (1997).
-
(3) - IZUMITANI (T.S.) - Optical glass. - American Institute of Physics – Translation Series, (N.Y.) (1986).
-
(4) - ABEN (H.), GUILLEMET (C.) - Photoelasticity of glass - . Springer-Verlag, Berlin (1993).
-
(5) - TERVONEN (A.), WEST (B.R.), HONKANEN (S.) - Ion-exchanged glass waveguide technology : a review - . Opt. Eng., 50(7) 071107 1-5 (2011).
-
(6) - WARD (J.), BENSON (O.) - WGM microresonators : sensing, lasing and fundamental optics with microspheres. - Laser Photonics Rev., 5(4), 553-570 (2011).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Production de verres d’oxydes, Saint-Gobain
https://www.saint-gobain.com/fr
Production de verres d’oxydes, Schott
http://www.schott.com/france/french/index.html
Production de verres de chalcogénures, Umicore IR-Glass
http://www.umicore.fr/NosActivites/Documents/Acigne.htm
Production de verres et de fibres de fluorures, Le Verre Fluoré
Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)Union pour la Science et la Technologie Verrières (USTV)
http://www.ustverre.fr/site/index.php
Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)Le portail français du verre
http://www.verreonline.fr/index.php
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