Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les produits verriers sont fabriqués depuis des millénaires. Cet article expose la nature particulière du verre et ses principales propriétés. Différentes technologies de coloration, ainsi que les verres antisolaires, illustrent l'importance de la composition verrière. Le rôle de la structure du verre lui-même, et surtout de sa surface, tant pour ses propriétés mécaniques que comme support de couches, est important. Des produits plus complexes sont ensuite présentés ainsi que quelques technologies de production industrielle du verre. Enfin sont évoqués les futurs progrès possibles de ce matériau.
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Glass products have been manufactured for millennia. This article deals with the specific nature of glass and its principal properties. Various coloring technologies, as well as solar protection glasses, illustrate the importance of glass composition. The role of the structure of the glass itself, and especially its surface, for its mechanical properties and as a layer support, is essential. More complex products are then presented as well as certain technologies for the industrial production of glass. This article concludes on possible future developments of this material.
Auteur(s)
-
Jean-Claude LEHMANN : Membre de l'Académie des technologies Ancien Directeur de la recherche de Saint-Gobain
INTRODUCTION
La silice pure, SiO2 , existe couramment sous deux structures différentes :
-
le quartz, cristal de structure trigonale que l'on trouve dans la nature ;
-
la silice vitreuse dont la structure désordonnée est bien celle d'un matériau amorphe ou d'un verre.
La nature exacte d'une structure amorphe est complexe et continue de soulever toutes sortes de questions. Dans son numéro de février 2005, le journal du CNRS place « l'obscure nature du verre » parmi les dix grandes énigmes de la physique ! On n'abordera que rapidement les procédés de fabrication industrielle du verre, qui continuent d'évoluer considérablement, grâce notamment aux progrès de la modélisation mathématique. Dans ce dossier, on se concentre essentiellement sur les produits verriers industriels et sur les tendances actuelles des développements technologiques dans ce domaine.
Contrairement à la silice, un matériau pur (SiO2), le verre est un matériau dont la composition est complexe. Souvent 8 à 10 oxydes différents en assurent les propriétés : température de fusion et viscosité, propriétés mécaniques, rayabilité, résistance chimique, couleur, etc.
Mais sur quels éléments peut-on jouer pour faire évoluer les produits verriers. On peut en citer au moins cinq, bien que souvent la réalité puisse être plus complexe :
-
la composition du verre ;
-
la structure de la matrice verrière ;
-
la surface du verre ;
-
le dépôt de couches minces sur la surface du verre ;
-
enfin, la réalisation de produits verriers complexes.
On se contentera dans ce dossier de choisir un ou deux exemples dans chacune de ces catégories.
Découvert, semble-t-il par hasard, il y a près de 4 000 ans, le verre n'était pourtant pas un matériau totalement inconnu. En effet, le verre sous diverses formes existe depuis toujours dans la nature et avait été remarqué par les premiers hommes pour ses caractéristiques particulières, notamment sa dureté, sa brillance et son poli. Si la fulgurite, produite lors de l'impact d'un éclair sur le sable semble avoir été peu utilisée, l'obsidienne, d'origine volcanique, a tout de suite intéressé les hommes pour en faire des pointes de flèches... et les femmes, pour en faire des miroirs, dont on disait qu'ils reflétaient également l'âme de celles qui s'y regardaient ! Plus étrange encore, certaines éponges au fond des océans, fabriquent, par un procédé mal connu, de longues aiguilles de verre appelées spicules, extrêmement souples, qui leur permettent de s'accrocher sur le sol.
Pline l'ancien rapporte que des marchands de natron, un carbonate de sodium hydraté utilisé pour la dessiccation des momies, ayant utilisé des blocs de ce sel alcalin sur du sable pour y encadrer leur feu de bois, ont constaté le lendemain matin une coulée d'un solide brillant inconnu. Il s'agissait de verre. En effet, la silice, SiO2 qui constitue le sable ne fond qu'à une température d'environ 1 800 oC, trop élevée pour être atteinte par un feu de bois. Par contre, au contact d'un sel alcalin, sa température de fusion peut être abaissée jusque vers 1 200 oC, température atteignable dans des conditions de confinement adéquates par un feu de bois. Le mélange silice-sel alcalin fondu se solidifie ensuite sous forme d'un verre, une structure chimique complexe de silicium, d'oxygène et d'autres atomes alcalins et métalliques. Histoire ou légende, cette découverte est plausible, et de nombreux objets de verroterie (pendentifs, perles...) ont été découverts datant de cette époque. Plus tard, aux époques grecque et romaine, le verre, de plus en plus transparent sera utilisé pour fabriquer des vases et des coupes.
Ce n'est qu'un siècle et demi avant notre ère que sera inventée la technique de soufflage du verre : on cueille au bout d'une canne métallique creuse, une grosse goutte de verre (la paraison), que l'on gonfle en la tournant et en la manipulant de façon à former une bouteille, un flacon, un vase, etc. Cette technique sera la principale utilisée par les verriers jusqu'au XVIIIe siècle, y compris pour faire le verre plat nécessaire aux miroirs ou aux vitres : le verre était soufflé en forme de cylindre, puis, fendu selon une génératrice et encore légèrement chaud, s'étalait pour devenir une plaque à peu près plane.
En 1666, Colbert et Louis XIV, n'acceptant pas la primauté des verriers vénitiens dans la production des verres pour miroirs, créent la Manufacture royale des glaces, dont les activités s'établiront quelques années plus tard dans le petit village de Saint-Gobain dans l'Aisne, et qui deviendra la Compagnie de Saint-Gobain, aujourd'hui une entreprise industrielle de 200 000 personnes, dont un bon tiers de l'activité reste aujourd'hui encore dans le domaine du verre.
C'est dans l'usine du village de Saint-Gobain que sera développée une nouvelle technique de fabrication du verre plat, la coulée sur table : on versait le verre liquide sur une grande table métallique, puis on le laminait pour en faire une feuille que l'on laissait refroidir. Cette technique fut la première permettant de réaliser de très grandes pièces de verre plat pour les fenêtres et les miroirs. La Galerie des glaces du Palais de Versailles reste la marque des premières années d'activités de la Manufacture royale des glaces, futur Saint-Gobain.
De façon générale, de très nombreux objets utiles ou décoratifs en verre, jalonnent l'histoire de l'architecture et de l'art. Les vitraux des grandes cathédrales gothiques en sont un exemple éclatant. Dans un genre plus méconnu, on peut citer le « Lion et le Serpent », magnifique groupe animalier grandeur nature, réalisé par Lambourg vers 1850, entièrement en fils de verres, et visible au Musée national des arts et métiers à Paris.
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Produits verriers complexes
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3. Rôle de la surface et de la structure du verre
3.1 Surface du verre et propriétés mécaniques
Le verre, contrairement à une idée généralement répandue, est, en théorie du moins, mécaniquement très solide. En outre, sa surface apparaît très dure, seulement rayable par des matériaux plus durs comme le diamant. Cependant, cette surface est en quelque sorte le talon d'Achille du verre. La résistance à la rupture d'un verre idéal serait de l'ordre de 1010 N/m2, valeur obtenue par un calcul théorique. Or, en pratique, les valeurs observées sont 100 à 1 000 fois plus faibles, et le verre est considéré comme fragile et cassant. Quelle en est la raison ? Elle est due à ce que se produisent à la surface même du verre de minuscules fissures, dites failles de Griffith du nom de celui qui le premier en a postulé l'existence en 1920. Celles-ci sont susceptibles de se propager, notamment en présence de faibles quantités de vapeur d'eau, et c'est cette propagation qui conduit in fine à la rupture du verre. On sait d'ailleurs que pour couper une feuille de verre, on crée une fissure par un trait de diamant, puis en exerçant une pression, on favorise la propagation de cette fissure au sein du verre jusqu'à la rupture. Les anciens verriers avaient même noté qu'en crachant sur la fissure on favorisait cette propagation, illustrant le rôle de la présence d'eau. Ce n'est que récemment que non seulement on a pu expliquer comment l'eau se fixant en fond de fissure et favorisant la rupture des liaisons chimiques covalentes participe en effet à cette propagation, mais on a pu observer ces microfissures, ainsi que leur propagation, au départ extrêmement lente, grâce à la microscopie à forces atomiques (figure 9) . La modélisation mathématique permet, sur un matériau modèle, de reproduire le phénomène observé, en particulier l'apparition de cavités qui se forment à l'avant même du front de fissure (figure ...
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Rôle de la surface et de la structure du verre
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZARZYCKY (J.) - Les verres et l'état vitreux. - Éditions Masson (1982).
-
(2) - NAVARRO (J.M.F.) - El Vidrio. - Consejo Superior de Investigaciones Scientificas Madrid (1985).
-
(3) - SCHOLTZE (H.) - Le Verre. - Institut du Verre, Paris (1980).
-
(4) - PAGEANT (G.), RICHET (P.), LUCAS (J.) - Une petite encyclopédie du verre. - Rubrique publiée dans la revue « verre », depuis avr. 2007.
-
(5) - CÉLARIÉ (F.), PRADES (S.), BONAMY (D.), FERRERO (L.), BOUCHAUD (E.), GUILLOT (C.), MARLIÈRE (C.) - Glass breaks like metals, but at the nanometer scale. - Phys. Rev. Lett., 90, 075504-1 (2003).
-
(6) - ROUNTREE (C.) - * - PhD thesis, available from Prof. KALIA (R.K.), University of Southern California, Los Angeles, USA.
ANNEXES
Institut du verre http://www.institutduverre.fr/
Verre online http://www.verreonline.fr/
HAUT DE PAGE2.1 Principaux producteurs de verre
Saint-Gobain (verre plat).
Pikington (verre plat).
Asahi Glass (verre plat).
PPG (verre plat).
Saint-Gobain (verre creux).
Owens Illinois (verre creux).
Owens Corning (fibres de renforcement).
Saint-Gobain (laine de verre).
Asahi Glass (laine de verre).
Corning (verres spéciaux).
Asahi glass (verres spéciaux).
Nippon Electric Glass, Schott (verres spéciaux).
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