ALS - Magazine 6 - Septembre 2017

ALS Mag / 31 ALS MAG Figure 2 : Dessin représentant des souffleurs de verre, Egypte, Ier siècle av. J.C. LE VERRE, UN LIQUIDE ? Si on doit définir un verre, on peut considérer ce matériau comme un liquide figé. La structure d’un verre à l’échelle atomique est similaire à celle d’un liquide. Il n’existe donc aucun ordre à grande distance. Un verre peut être représenté comme un réseau tridimentionnel dans lequel seul l’ordre à courte distance est conservé. Ainsi la structure de la silice cristalline (quartz) est constituée par l’agencement ordonné de tétraèdres SiO 4 , alors que celle de la silice vitreuse correspond à un empilement anarchique de ces mêmes tétraèdres (Figure 3). La différentiation entre solide cristallisé et solide vitreux s’effectue au refroidissement (Figure 4). A la température de fusion (ou cristallisation) T f , le liquide devient solide, ce qui se traduit par une mise en ordre des atomes. On dit que le liquide a cristallisé, entrainant une contraction brutale de volume (trajet rouge). Ce passage liquide-cristal correspond à une transition s’effectuant à l’équi- libre. Dans le cas d’un liquide suffisamment visqueux à T f , un refroidissement rapide peut permettre la formation d’un liquide en surfusion. Les atomes n’ayant pas le temps de s’arranger les uns par rapport aux autres, les cristaux n’appa- raissent pas. Le volume de ce liquide se place d’abord dans l’extrapolation de l’évolution du volume au-dessus de T f , puis à une température appelée T g , il y a rupture de pente de la courbe volume/température signalant la transition vitreuse (trajet vert). La structure moléculaire en-dessous de T g reste donc similaire à celle du liquide. Figure 3 : Représentation schématique en 2 dimensions de la silice cristallisée (à gauche) et de la silice vitreuse (à droite). Pour chaque tétraèdre centré par un atome de silicium, il existe un quatrième atome d’oxygène situé dans un plan au dessus de celui de la figure et qui n’est pas dessiné ici. Figure 4 : Courbes de refroidissement d’un composé cristallisé (en rouge) comparée à celle d’un composé amorphe (en vert). Les matériaux vitreux voient leur viscosité augmenter avec le refroidissement (Figure 5). Chaque phase du travail du verre se fera pour une viscosité ( ƞ ) donnée : par exemple, la fusion des matières premières pour ƞ = 10 Pa.s (à titre de comparaison, ƞ de l’eau = 10 -3 Pa.s à 25°C), mise en forme, soufflage, étirage, coulée, etc. pour ƞ = 10 3 à 10 4 Pa.s. Un verre se caractérise aussi par ses températures de ramollissement (pour ƞ = 10 7 Pa.s) et de transition vitreuse (T g pour = 10 12 Pa.s). De nombreuses substances sont vitrifiables, comme les éléments soufre, phosphore, les oxydes tels que la silice, les oxydes de germanium, de bore, les phosphates, etc. La suite de l’article est focalisée sur les verres silicatés qui sont les plus couramment utilisés. La silice ayant un point de fusion élevé ( ~ 1700°C), l’ajout de fondants diminue fortement les températures de fusion et la viscosité. Ces fondants sont des oxydes alcalins Na 2 O, K 2 O, … et alcalino-terreux comme CaO, MgO, introduits généralement sous forme de carbonates. Ils sont appelés modificateurs de réseaux car du point de vue moléculaire, ils ouvrent le réseau siliceux (Figure 6) par rupture des liaisons Si-O-Si. D’autres composants comme Al 2 O 3 , B 2 O 3 , PbO, … peuvent être ajoutés pour modifier les propriétés de ces verres à base de silice. Figure 5 : Evolution de la viscosité de différents verres avec la température et principales étapes de mise en forme. Figure 6 : Représentation schématique de l’action des modificateurs de réseau sur le réseau de silice. 1/ http://www.treasuremountainmining.com/index.php?route=pavblog/ blog&id=43 2/ https://museumvictoria.com.au/melbournemuseum/discoverycentre/dynamicearth/overview/meteorites/tektites/ 3/ http://www.amusingplanet.com/2015/09/peles-hair-and-peles-tears.html 4/ http://www.societechimiquedefrance.fr/verre.html