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Verre

Une façade de bâtiment en verre Le verre est un solide amorphe ( non cristallin ). Souvent transparent et chimiquement inerte, il est largement utilisé dans les domaines pratiqu...

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Une façade de bâtiment en verre

Le verre est un solide amorphe ( non cristallin ). Souvent transparent et chimiquement inerte, il est largement utilisé dans les domaines pratique, technologique et décoratif, notamment pour les vitres , la vaisselle et l'optique . Certains objets courants en verre portent le nom du matériau : un verre pour boire, des lunettes pour corriger la vue et une loupe .

Le verre se forme le plus souvent par refroidissement rapide ( trempe ) du métal en fusion . Certains verres, comme le verre volcanique, sont d'origine naturelle, et l'obsidienne est utilisée pour fabriquer des pointes de flèches et des couteaux depuis l' âge de pierre . Des preuves archéologiques suggèrent que la fabrication du verre remonte au moins à 3600 av. J.-C. en Mésopotamie , en Égypte ou en Syrie . Les plus anciens objets en verre connus étaient des perles , peut-être créées accidentellement lors du travail des métaux ou de la production de faïence , une forme de céramique utilisant des glaçures au plomb.

Grâce à sa grande malléabilité , le verre est traditionnellement utilisé pour la fabrication de récipients tels que bols , vases , bouteilles , bocaux et verres. Le verre sodocalcique , composé d'environ 70 % de silice , représente près de 90 % du verre manufacturé moderne. On peut colorer le verre par l'ajout de sels métalliques ou le peindre et l'imprimer avec des émaux vitreux , ce qui explique son utilisation dans la réalisation de vitraux et autres objets d'art en verre .

Les propriétés réfractives , réfléchissantes et transmissives du verre le rendent idéal pour la fabrication de lentilles optiques , de prismes et de matériaux optoélectroniques . Les fibres de verre extrudées sont utilisées comme fibres optiques dans les réseaux de communication, comme matériau d'isolation thermique lorsqu'elles sont agglomérées en laine de verre pour emprisonner l'air, ou encore dans les plastiques renforcés de fibres de verre ( fibre de verre ).

La structure amorphe de la silice vitreuse (SiO₂ ) en deux dimensions. Aucun ordre à longue portée n'est présent, bien qu'il existe un ordre local dans l' arrangement tétraédrique des atomes d'oxygène (O) autour des atomes de silicium (Si).
Un graphique illustrant visuellement la différence entre l'arrangement microscopique des monocristaux, des polycristaux et des solides amorphes, comme expliqué dans la légende.
À l'échelle microscopique, un monocristal possède des atomes disposés selon une périodicité quasi parfaite ; un polycristal est composé de nombreux cristaux microscopiques ; et un solide amorphe tel que le verre ne présente aucune périodicité, même à l'échelle microscopique.
trempe rapide à l'état fondu . Cependant, le terme « verre » est souvent défini dans un sens plus large, pour décrire tout solide non cristallin ( amorphe ) présentant une transition vitreuse lorsqu'il est chauffé vers l'état liquide.

Le verre est un solide amorphe . Bien que sa structure atomique partage des caractéristiques avec celle d'un liquide surfondu , le verre présente toutes les propriétés mécaniques d'un solide. Comme dans les autres solides amorphes, la structure atomique du verre ne possède pas la périodicité à longue portée observée dans les solides cristallins . En raison des contraintes de liaison chimique , les verres présentent un degré élevé d'ordre à courte portée au niveau des polyèdres atomiques locaux . L'idée que le verre s'écoule de manière appréciable sur de longues périodes bien en dessous de sa température de transition vitreuse n'est étayée ni par la recherche empirique ni par l'analyse théorique (voir la viscosité des solides ). Bien que le mouvement atomique à la surface du verre puisse être observé, et qu'une viscosité de l'ordre de 10¹⁷ à 10¹⁸ Pa·s puisse être mesurée, une valeur aussi élevée confirme que le verre ne se déformerait pas sensiblement, même sur de longues périodes.

Formation à partir d'un liquide surfondu

transition entre un fluide ou un solide régulier et une phase vitreuse ? « Le problème non résolu le plus profond et le plus intéressant de la théorie de l’état solide est probablement la théorie de la nature du verre et de la transition vitreuse. » — P.W. Anderson
D'autres problèmes non résolus en physique

Lors de la trempe à l'état fondu, si le refroidissement est suffisamment rapide (par rapport au temps caractéristique de cristallisation ), la cristallisation est empêchée et la configuration atomique désordonnée du liquide surfondu est figée à l'état solide à la température de transition vitreuse (Tg ) . L'aptitude d'un matériau à former du verre lors d'un refroidissement rapide est appelée aptitude à la vitrification. Cette aptitude peut être prédite par la théorie de la rigidité . Généralement, un verre existe dans un état structurellement métastable par rapport à sa forme cristalline , bien que dans certains cas, par exemple pour les polymères atactiques , il n'existe pas d'analogue cristallin de la phase amorphe

Le verre est parfois considéré comme un liquide en raison de l'absence de transition de phase du premier ordre où certaines variables thermodynamiques telles que le volume , l'entropie et l'enthalpie présentent une discontinuité au cours de la transition vitreuse. Cette dernière peut être décrite comme analogue à une transition de phase du second ordre, où les variables thermodynamiques intensives, telles que la dilatation thermique et la capacité thermique , présentent une discontinuité . Cependant, la théorie de l'équilibre des transformations de phase ne s'applique pas au verre ; par conséquent, la transition vitreuse ne peut être classée parmi les transformations de phase d'équilibre classiques des solides

Apparition dans la nature

L'obsidienne est un verre volcanique courant à forte teneur en silice (SiO₂ ) qui se forme lorsque la lave felsique expulsée d'un volcan refroidit rapidement. L'impactite est une forme de verre formée par l'impact d'une météorite ; la moldavite (présente en Europe centrale et orientale) et le verre du désert libyen (présent dans certaines régions du Sahara oriental , des déserts de l'est de la Libye et de l'ouest de l'Égypte ) en sont des exemples notables. La vitrification du quartz peut également se produire lorsque la foudre frappe le sable , formant des structures creuses et ramifiées en forme de racines appelées fulgurites . La trinitite est un résidu vitreux formé à partir du sable du sol désertique du site d'essais nucléaires Trinity . Le verre d'Edeowie , trouvé en Australie-Méridionale , proviendrait d' incendies de prairies du Pléistocène , d'impacts de foudre ou d'impacts à très grande vitesse d'un ou plusieurs astéroïdes ou comètes .

Un morceau de verre d'obsidienne volcanique
  • Moldavite, un verre naturel formé par l'impact d'une météorite, de Besednice, Bohême
    Moldavite , un verre naturel formé par l'impact d'une météorite , de Besednice , Bohême
  • Fulgurites tubulaires
    Fulgurites tubulaires
  • Trinitite, un verre fabriqué lors de l'essai nucléaire Trinity
    Trinitite , un verre fabriqué lors de l' essai nucléaire Trinity
  • Verre du désert libyen
    Verre du désert libyen

    • Histoire

    Coupe romaine en forme de cage du IVe siècle

    L'obsidienne, un verre naturel , était utilisée par les sociétés de l'âge de pierre car elle se fracture selon des arêtes très tranchantes, ce qui la rend idéale pour la fabrication d'outils et d'armes tranchants.

    La fabrication du verre remonte à au moins 6 000 ans, bien avant que l’homme n’ait découvert la fonte du fer. Des preuves archéologiques suggèrent que les premiers verres synthétiques ont été fabriqués au Liban et dans le nord de la Syrie côtière , en Mésopotamie ou dans l’Égypte antique . Les plus anciens objets en verre connus, datant du milieu du IIIe millénaire avant J.-C., étaient des perles , peut-être initialement créées comme sous-produits accidentels du travail des métaux ( scories ) ou lors de la production de faïence , un matériau vitreux antérieur au verre, obtenu par un procédé similaire au glaçage .

    Les premiers verres étaient rarement transparents et contenaient souvent des impuretés et des imperfections Il s'agit techniquement de faïence plutôt que de véritable verre, ce dernier n'apparaissant qu'au XVe siècle avant J.-C. . Cependant, des perles de verre rouge-orangé mises au jour dans la civilisation de la vallée de l'Indus et datées d'avant 1700 avant J.-C. (voire dès 1900 avant J.-C.) sont antérieures à la production verrière à grande échelle, apparue vers 1600 avant J.-C. en Mésopotamie et 1500 avant J.-C. en Égypte.

    À la fin de l'âge du bronze , on observe un développement rapide des techniques de fabrication du verre en Égypte et en Asie occidentale . Les découvertes archéologiques de cette période comprennent des lingots de verre coloré , des récipients et des perles.

    Une grande partie de la production de verre des débuts reposait sur des techniques de broyage empruntées au travail de la pierre , comme le broyage et la sculpture du verre à froid.

    Le terme « verre » trouve son origine à la fin de l’ Empire romain , dans le centre verrier romain de Trèves (située dans l’actuelle Allemagne), où est apparu le terme latin tardif « glesum » , probablement issu d’un mot germanique désignant une substance transparente et brillante . Des objets en verre ont été retrouvés dans tout l’Empire romain , dans des contextes domestiques, funéraires et industriels , ainsi que parmi les marchandises vendues sur les marchés de provinces éloignées. Des exemples de verre romain ont été découverts hors de l’ancien Empire romain , en Chine , dans les pays baltes , au Moyen-Orient et en Inde . Les Romains ont perfectionné le verre camée , obtenu par gravure et sculpture de couches fusionnées de différentes couleurs afin de créer un motif en relief sur l’objet en verre.

    Les vitraux élaborés du chœur de la basilique Saint-Denis
    Les vitraux du chœur de la basilique Saint-Denis , l'une des premières utilisations de vastes surfaces vitrées (architecture du début du XIIIe siècle avec des vitraux restaurés au XIXe siècle).

    En Afrique de l'Ouest post-classique , le Bénin était un centre de production de verre et de perles de verre. Le verre était largement utilisé en Europe au Moyen Âge . On a retrouvé du verre anglo-saxon dans toute l'Angleterre lors de fouilles archéologiques, tant sur des sites d'habitat que dans des cimetières. À partir du Xᵉ siècle, le verre fut employé dans les vitraux des églises et des cathédrales , avec des exemples célèbres à la cathédrale de Chartres et à la basilique Saint-Denis . Au XIVᵉ siècle, les architectes concevaient des édifices aux murs ornés de vitraux , comme la Sainte-Chapelle à Paris (1203-1248) et le chœur de la cathédrale de Gloucester . Avec l'évolution des styles architecturaux durant la Renaissance en Europe, l'utilisation de grands vitraux devint beaucoup moins fréquente, bien que le vitrail ait connu un important renouveau avec l'architecture néogothique au XIXe siècle.

    Au XIIIe siècle, l'île de Murano , à Venise, devint un centre de production verrière, s'appuyant sur les techniques médiévales pour produire en grande quantité des pièces ornementales colorées. Les verriers de Murano mirent au point le cristallo , un verre incolore d'une clarté exceptionnelle , ainsi nommé pour sa ressemblance avec le cristal naturel, largement utilisé pour les fenêtres, les miroirs, les lanternes de navire et les lentilles. Aux XIIIe, XIVe et XVe siècles, l'émaillage et la dorure des récipients en verre furent perfectionnés en Égypte et en Syrie. Vers la fin du XVIIe siècle, la Bohême devint une importante région verrière, et le resta jusqu'au début du XXe siècle. Dès le XVIIe siècle, le verre de tradition vénitienne était également produit en Angleterre . Vers 1675, George Ravenscroft inventa le cristal au plomb , et le cristal taillé devint à la mode au XVIIIe siècle. Les objets en verre ornementaux sont devenus un médium artistique important pendant la période Art nouveau à la fin du XIXe siècle.

    Tout au long du XXe siècle, de nouvelles techniques de production de masse ont permis une disponibilité accrue du verre, le rendant pratique comme matériau de construction et ouvrant la voie à de nouvelles applications. Dans les années 1920, un procédé de gravure sur moule a été mis au point : le motif était gravé directement dans le moule, de sorte que chaque pièce moulée sortait du moule avec l’image déjà imprimée sur sa surface. Ce procédé a permis de réduire les coûts de fabrication et, combiné à une utilisation plus répandue du verre coloré, a conduit à la production de verrerie bon marché dans les années 1930, connue plus tard sous le nom de « verre de la Grande Dépression » . Dans les années 1950, la société Pilkington Bros., en Angleterre, a développé le procédé du verre flotté , produisant des feuilles de verre plates de haute qualité et sans distorsion par flottaison sur de l’étain en fusion . Les immeubles modernes de plusieurs étages sont fréquemment construits avec des façades rideaux presque entièrement en verre. Le verre feuilleté est largement utilisé dans l’automobile pour les pare-brise. Le verre optique pour lunettes est utilisé depuis le Moyen Âge. La production de lentilles est devenue de plus en plus performante, aidant les astronomes et trouvant également d'autres applications en médecine et en sciences. Le verre est également utilisé comme couvercle d'ouverture dans de nombreux capteurs d'énergie solaire .

    Au XXIe siècle, les fabricants de verre ont développé différentes marques de verre chimiquement renforcé pour une application généralisée dans les écrans tactiles des smartphones , des tablettes et de nombreux autres appareils d'information . Parmi ceux-ci figurent le Gorilla Glass , développé et fabriqué par Corning , le Dragontrail d' AGC Inc. et le Xensation de Schott AG .

    propriétés physiques

    Optique

    principes de l'optique géométrique . Les applications les plus courantes et les plus anciennes du verre en optique sont les lentilles , les fenêtres , les miroirs et les prismes . Les principales propriétés optiques du verre – indice de réfraction , dispersion et transmission – dépendent fortement de sa composition chimique et, dans une moindre mesure, de son histoire thermique. Le verre optique possède généralement un indice de réfraction compris entre 1,4 et 2,4 et un nombre d'Abbe (qui caractérise la dispersion) compris entre 15 et 100. L'indice de réfraction peut être modifié par l'ajout d'additifs à haute densité (augmentation de l'indice de réfraction) ou à faible densité (diminution de l'indice de réfraction).

    La transparence du verre résulte de l'absence de joints de grains , qui diffusent la lumière dans les matériaux polycristallins. Une semi-opacité due à la cristallisation peut être induite dans de nombreux verres en les maintenant longtemps à une température juste inférieure à celle nécessaire à leur fusion. C'est ainsi que l'on produit le matériau cristallin dévitrifié connu sous le nom de porcelaine de Réaumur. Bien que généralement transparents à la lumière visible, les verres peuvent être opaques à d'autres longueurs d'onde . Alors que les verres silicatés sont généralement opaques aux infrarouges , avec une limite de transmission à 4 μm, les verres fluorés et chalcogénures de métaux lourds sont transparents aux infrarouges compris entre 7 et 18 μm. L'ajout d'oxydes métalliques permet d'obtenir des verres de différentes couleurs, car les ions métalliques absorbent les longueurs d'onde correspondant à des couleurs spécifiques.

    Autre

    Le verre peut être fondu et manipulé assez facilement à l'aide d'une source de chaleur.

    Lors de sa fabrication, le verre peut être coulé, formé, extrudé et moulé pour obtenir des formes allant de feuilles plates à des formes très complexes. Le produit fini est fragile, mais peut être laminé ou trempé pour en améliorer la durabilité. Le verre est généralement inerte, résistant aux attaques chimiques et supporte la plupart des agressions de l'eau, ce qui en fait un matériau idéal pour la fabrication de contenants alimentaires et de la plupart des produits chimiques. Néanmoins, bien que généralement très résistant aux attaques chimiques, le verre peut se corroder ou se dissoudre dans certaines conditions. La composition du verre influence sa vitesse de corrosion. Les verres contenant une forte proportion d' éléments alcalins ou alcalino-terreux sont plus sensibles à la corrosion que les autres verres.

    La densité du verre varie selon sa composition chimique, allant de silice fondue à résistance à la traction théorique , pour un verre pur et sans défaut, est estimée entre le durcissement, permettent d’accroître la résistance du verre. Des fibres de verre impeccables et soigneusement étirées peuvent être produites avec une résistance allant jusqu'à verre flotté quasi parfait utilisé aujourd'hui ne s'est généralisé que dans les années 1960).

    Une étude de 2017 a calculé le taux d'écoulement du verre médiéval utilisé à l' abbaye de Westminster à partir de 1268. Cette étude a révélé que la viscosité de ce verre à température ambiante était d'environ 10²⁴ Pa · s , soit environ 10¹⁶ fois inférieure à une estimation précédente réalisée en 1998, qui portait sur le verre silico-calcique. Malgré cette viscosité plus faible, les auteurs de l'étude ont calculé que le taux d'écoulement maximal du verre médiéval est de 1 nm par milliard d'années, ce qui le rend impossible à observer à l'échelle de temps humaine.

    Types

    Verres silicatés

    Gros plan d'une photographie de sable
    Le sable de quartz (silice) est la principale matière première de la production commerciale de verre.

    Le dioxyde de silicium (SiO₂ ) est un constituant fondamental courant du verre. Le quartz fondu est un verre composé de silice chimiquement pure. Il présente un très faible coefficient de dilatation thermique et une excellente résistance aux chocs thermiques ; il peut être immergé dans l’eau à l’état incandescent, résiste aux hautes températures (1 000 à 1 500 °C) et à l’altération chimique, et est très dur. Il est également transparent à une gamme spectrale plus large que le verre ordinaire, s’étendant du visible jusqu’aux ultraviolets et aux infrarouges , et est parfois utilisé lorsque la transparence à ces longueurs d’onde est requise. Le quartz fondu est utilisé pour des applications à haute température telles que les tubes de four, les tubes d’éclairage, les creusets de fusion, etc. Cependant, sa température de fusion élevée (1 723 °C) et sa viscosité le rendent difficile à travailler. C’est pourquoi, généralement, d’autres substances (fondants) sont ajoutées pour abaisser sa température de fusion et simplifier sa transformation.

    Verre sodocalcique

    Le carbonate de sodium (Na₂CO₃ , « soude ») est un additif courant qui abaisse la température de transition vitreuse. Cependant, le silicate de sodium étant soluble dans l'eau , on ajoute fréquemment de la chaux (CaO, oxyde de calcium , généralement extraite du calcaire ), ainsi que de l'oxyde de magnésium (MgO) et de l'oxyde d'aluminium ( Al₂O₃ ), afin d'améliorer la durabilité chimique . Les verres sodocalciques (Na₂O ) + chaux (CaO) + magnésie (MgO) + alumine (Al₂O₃ ) représentent plus de 75 % du verre produit et contiennent environ 70 à 74 % de silice en masse. Le verre sodocalcique est transparent, facile à mouler et particulièrement adapté aux vitres et à la vaisselle. [ , il présente un coefficient de dilatation thermique élevé et une faible résistance à la chaleur. Le verre sodocalcique est couramment utilisé pour les fenêtres , les bouteilles , les ampoules et les bocaux .

    Verre borosilicaté

    Se référer à la légende
    Un verre doseur Pyrex en verre borosilicaté

    Les verres borosilicatés (par exemple Pyrex , Duran ) contiennent généralement de 5 à 13 % de trioxyde de bore (B₂O₃ ) . Les verres borosilicatés présentent des coefficients de dilatation thermique relativement faibles (le CTE du Pyrex 7740 est de 3,25 × contraintes dues à la dilatation thermique et, par conséquent, moins vulnérables à la fissuration par choc thermique . Ils sont couramment utilisés, par exemple, pour la verrerie de laboratoire , les ustensiles de cuisine et les phares scellés des voitures .

    Verre au plomb

    oxyde de plomb(II) au verre silicaté abaisse son point de fusion et sa viscosité . La densité élevée du verre au plomb (silice + oxyde de plomb (PbO) + oxyde de potassium (K₂O ) + soude (Na₂O) + oxyde de zinc (ZnO) + alumine) lui confère une forte densité électronique, et donc un indice de réfraction élevé, ce qui rend la verrerie plus brillante et provoque une réflexion spéculaire nettement plus importante ainsi qu'une dispersion optique accrue . Le verre au plomb possède une grande élasticité, ce qui facilite le travail de la verrerie et lui donne un son clair et cristallin lorsqu'on le frappe. Cependant, il résiste mal aux hautes températures. L'oxyde de plomb favorise également la solubilité d'autres oxydes métalliques et est utilisé dans la fabrication du verre coloré. La diminution de la viscosité du verre au plomb fondu est très importante (environ 100 fois inférieure à celle du verre sodocalcique). Cela permet une élimination plus aisée des bulles et un travail à des températures plus basses, d'où son utilisation fréquente comme additif dans les émaux vitreux et les brasures de verre . Le rayon ionique élevé de l'ion Pb²⁺ le rend très immobile et entrave le mouvement des autres ions ; les verres au plomb présentent donc une résistance électrique élevée, environ deux ordres de grandeur supérieure à celle du verre sodocalcique (10⁸, ⁵ contre 10⁶, ⁵ Ω⋅cm, courant continu à 250 °C).

    Verre aluminosilicate

    Le verre aluminosilicate contient généralement de 5 à 10 % d' alumine (Al₂O₃ ) . Il est généralement plus difficile à fondre et à façonner que les verres borosilicatés, mais présente une excellente résistance thermique et une grande durabilité. [ verre aluminosilicate est largement utilisé pour la fabrication de fibres de verre , de plastiques renforcés de fibres de verre (bateaux, cannes à pêche, etc.), d'ustensiles de cuisine et de verre pour ampoules halogènes.

    Autres additifs d'oxyde

    L'ajout de baryum augmente également l'indice de réfraction. L'oxyde de thorium confère au verre un indice de réfraction élevé et une faible dispersion ; autrefois utilisé pour la fabrication de lentilles de haute qualité, il a été remplacé par l'oxyde de lanthane dans les lunettes modernes en raison de sa radioactivité . Le fer peut être incorporé au verre pour absorber le rayonnement infrarouge , par exemple dans les filtres absorbant la chaleur des projecteurs de cinéma, tandis que l'oxyde de cérium(IV) peut être utilisé pour les verres absorbant les ultraviolets . Le fluor abaisse la constante diélectrique du verre. Très électronégatif , il diminue la polarisabilité du matériau. Les verres silico-fluorés sont utilisés comme isolant dans la fabrication des circuits intégrés .

    vitrocéramique

    Plaque de cuisson en vitrocéramique haute résistance à dilatation thermique négligeable

    Les matériaux vitrocéramiques contiennent à la fois des phases vitreuses non cristallines et des phases céramiques cristallines . Ils sont formés par nucléation contrôlée et cristallisation partielle d'un verre de base par traitement thermique. Les grains cristallins sont souvent inclus dans une phase intergranulaire non cristalline aux joints de grains . Les vitrocéramiques présentent des propriétés thermiques, chimiques, biologiques et diélectriques avantageuses par rapport aux métaux ou aux polymères organiques.

    La propriété la plus importante des vitrocéramiques sur le plan commercial est leur résistance aux chocs thermiques. De ce fait, elles sont devenues extrêmement utiles pour la cuisson sur plan de travail et les procédés industriels. Le coefficient de dilatation thermique (CDT) négatif de la phase céramique cristalline peut être compensé par le CDT positif de la phase vitreuse. À partir d'un certain seuil (environ 70 % de cristallinité), le CDT net de la vitrocéramique est proche de zéro. Ce type de vitrocéramique présente d'excellentes propriétés mécaniques et peut supporter des variations de température rapides et répétées jusqu'à 1 000 °C.

    Fibre de verre

    La fibre de verre (également appelée plastique renforcé de fibres de verre, PRV) est un matériau composite obtenu en renforçant une résine plastique avec des fibres de verre . Elle est fabriquée en faisant fondre du verre et en l'étirant pour obtenir des fibres. Ces fibres sont ensuite tissées pour former un tissu et imprégnées de résine plastique. La fibre de verre est légère, résistante à la corrosion et possède d'excellentes propriétés isolantes, ce qui permet son utilisation comme matériau d'isolation dans le bâtiment et pour les boîtiers électroniques de produits grand public. La fibre de verre a été initialement utilisée au Royaume-Uni et aux États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale pour la fabrication de radômes . Ses applications comprennent les matériaux de construction, les coques de bateaux, les pièces de carrosserie automobile et les matériaux composites pour l'aérospatiale.

    La laine de verre est un excellent matériau d'isolation thermique et acoustique , couramment utilisé dans le bâtiment (par exemple, pour l'isolation des combles et des murs creux ), la plomberie (par exemple, l'isolation des tuyaux ) et l'insonorisation . Elle est produite en faisant passer du verre en fusion à travers un fin tamis grâce à la force centripète , puis en brisant les fibres de verre extrudées en courts segments à l'aide d'un jet d'air à haute vitesse. Les fibres sont ensuite liées par un adhésif pulvérisé, et le matelas de laine obtenu est découpé et conditionné en rouleaux ou en panneaux.

    Verres non silicatés

    Un CD
    Un CD-RW (CD). Le verre chalcogénure constitue la base de la technologie de mémoire à semi-conducteurs réinscriptible des CD et DVD.

    Outre les verres courants à base de silice, de nombreux autres matériaux inorganiques et organiques peuvent également former des verres, notamment les métaux , les aluminates , les phosphates , les borates , les chalcogénures , les fluorures , les germanates (verres à base de GeO2 ), les tellurites (verres à base de TeO2), les antimoniates (verres à base de Sb2O3 ) , les arséniates (verres à base de As2O3 ) , les titanates (verres à base de TiO2 ) , les tantalates (verres à base de Ta2O5 ) , les nitrates , les carbonates , les plastiques , l'acrylique et bien d'autres substances. Certains de ces verres (par exemple le dioxyde de germanium (GeO 2 , Germania), analogue structurel à bien des égards de la silice, les verres fluorés , aluminés, phosphatés , borés et chalcogénures) possèdent des propriétés physico-chimiques utiles pour leur application dans les guides d'ondes à fibres optiques des réseaux de communication et d'autres applications technologiques spécialisées.

    Les verres sans silice présentent souvent une faible aptitude à la vitrification. De nouvelles techniques, telles que le traitement sans récipient par lévitation aérodynamique (refroidissement du bain fondu pendant sa flottaison sur un flux de gaz) ou la trempe par projection (compression du bain fondu entre deux enclumes ou rouleaux métalliques), peuvent être utilisées pour augmenter la vitesse de refroidissement ou réduire les facteurs de nucléation cristalline.

    Métaux amorphes

    Échantillons de métal amorphe, à l'échelle millimétrique

    Par le passé, de petits lots de métaux amorphes présentant des configurations à grande surface spécifique (rubans, fils, films, etc.) ont été produits grâce à l'utilisation de vitesses de refroidissement extrêmement rapides. Des fils métalliques amorphes ont été produits par pulvérisation cathodique de métal en fusion sur un disque métallique en rotation.

    Plusieurs alliages ont été produits en couches d'une épaisseur supérieure à 1 millimètre. On les appelle verres métalliques massifs (VMM). Liquidmetal Technologies commercialise plusieurs VMM à base de zirconium .

    Des lots d'acier amorphe ont également été produits qui présentent des propriétés mécaniques bien supérieures à celles des alliages d'acier conventionnels.

    Des données expérimentales indiquent que le système Al-Fe-Si peut subir une transition de premier ordre vers une forme amorphe (appelée « verre q ») lors d'un refroidissement rapide à partir de l'état fondu. Les images de microscopie électronique en transmission (MET) montrent que le verre q se forme par nucléation à partir de l'état fondu sous forme de particules discrètes à croissance sphérique uniforme dans toutes les directions. Bien que la diffraction des rayons X révèle la nature isotrope du verre q, l'existence d'une barrière de nucléation implique une discontinuité interfaciale (ou surface interne) entre les phases vitreuse et fondue.

    Polymères

    Parmi les verres polymères importants figurent les composés pharmaceutiques amorphes et vitreux. Ces derniers sont utiles car la solubilité du composé est considérablement accrue lorsqu'il est amorphe, comparativement à sa forme cristalline. De nombreux médicaments émergents sont pratiquement insolubles sous leur forme cristalline. De nombreux thermoplastiques polymères d'usage courant sont des verres. Pour de nombreuses applications, comme les bouteilles en verre ou les lunettes , les verres polymères ( verre acrylique , polycarbonate ou polyéthylène téréphtalate ) constituent une alternative plus légère au verre traditionnel.

    Liquides moléculaires et sels fondus

    Les liquides moléculaires, les électrolytes , les sels fondus et les solutions aqueuses sont des mélanges de différentes molécules ou ions qui n'interagissent pas par liaisons covalentes, mais uniquement par de faibles forces de van der Waals ou des liaisons hydrogène transitoires . Dans un mélange de trois espèces ioniques ou plus, de tailles et de formes différentes, la cristallisation peut être si difficile que le liquide peut facilement se transformer en verre par surfusion. On peut citer comme exemples LiCl: R<sub> x</sub>H<sub> 2</sub> O (une solution de chlorure de lithium et de molécules d'eau) pour une composition R comprise entre 4 et 8. Le verre de sucre ou Ca <sub>0,4 </sub> K <sub>0,6 </sub> (NO<sub> 3 </sub> ) <sub>1,4</sub> . Des électrolytes vitreux, tels que le verre de lithium dopé au baryum et le verre de sodium dopé au baryum, ont été proposés comme solutions aux problèmes rencontrés avec les électrolytes liquides organiques utilisés dans les batteries lithium-ion modernes.

    Production

    Un morceau de verre incandescent en train d'être soufflé
    Des robots industriels déchargent du verre flotté

    Après la préparation et le mélange du lot de verre , les matières premières sont transportées au four. Le verre sodocalcique destiné à la production de masse est fondu dans des fours de fusion du verre . Les fours de plus petite taille utilisés pour les verres spéciaux comprennent des fondoirs électriques, des fours à creuset et des cuves journalières. Après la fusion, l'homogénéisation et le raffinage (élimination des bulles), le verre est mis en forme . Cette mise en forme peut être réalisée manuellement par soufflage du verre , qui consiste à rassembler une masse de verre semi-fondu chaud, à la gonfler en une bulle à l'aide d'une canne de soufflage creuse, puis à lui donner la forme souhaitée par soufflage, balancement, roulage ou moulage. À chaud, le verre peut être travaillé à l'aide d'outils manuels, coupé aux cisailles, et des éléments supplémentaires tels que des poignées ou des pieds peuvent y être fixés par soudure. Le verre plat pour fenêtres et applications similaires est fabriqué selon le procédé du verre flotté , mis au point entre 1953 et 1957 par Sir Alastair Pilkington et Kenneth Bickerstaff de la société britannique Pilkington Brothers. Ce procédé consiste à créer un ruban de verre continu à l'aide d'un bain d'étain fondu sur lequel le verre en fusion s'écoule librement sous l'effet de la gravité. La surface supérieure du verre est ensuite soumise à un traitement à l'azote sous pression pour obtenir un fini poli. Le verre d'emballage pour bouteilles et bocaux courants est fabriqué par soufflage et pressage . Ce verre est souvent légèrement modifié chimiquement (avec une teneur accrue en alumine et en oxyde de calcium) pour une meilleure résistance à l'eau.

    Une fois la forme souhaitée obtenue, le verre est généralement recuit afin d'éliminer les contraintes et d'accroître sa dureté et sa durabilité. Des traitements de surface, des revêtements ou un laminage peuvent ensuite être appliqués pour améliorer la durabilité chimique ( revêtements de contenants en verre , traitement interne des contenants en verre ), la résistance ( verre trempé , verre pare-balles , pare-brise ) ou les propriétés optiques ( vitrage isolant , revêtement antireflet ).

    De nouvelles compositions chimiques pour le verre ou de nouvelles techniques de traitement peuvent être initialement étudiées lors d'expériences en laboratoire à petite échelle. Les matières premières utilisées pour la fusion du verre à l'échelle du laboratoire diffèrent souvent de celles employées en production de masse, le coût étant un facteur secondaire. En laboratoire, on utilise principalement des produits chimiques purs . Il convient de s'assurer que les matières premières n'ont pas réagi avec l'humidité ou d'autres substances chimiques présentes dans l'environnement (telles que les oxydes et hydroxydes de métaux alcalins ou alcalino-terreux, ou l'oxyde de bore ), et de quantifier les impuretés (perte au feu). Les pertes par évaporation lors de la fusion du verre doivent être prises en compte lors du choix des matières premières ; par exemple, le sélénite de sodium peut être préféré au dioxyde de sélénium (SeO₂ ) qui s'évapore facilement . De même, des matières premières plus réactives peuvent être préférées à des matières premières relativement inertes , comme l'hydroxyde d'aluminium (Al(OH) ₃ ) à l' alumine ( Al₂O₃ ). Généralement, les fusions sont réalisées dans des creusets en platine afin de limiter la contamination par le matériau du creuset . L’homogénéité du verre est obtenue en homogénéisant le mélange de matières premières ( lot de verre ), en agitant la masse fondue, puis en broyant et en refondant la première masse fondue. Le verre obtenu est généralement recuit pour éviter la casse pendant la transformation.

    Couleur

    centres colorés ) répartis de manière homogène. Alors que le verre sodocalcique ordinaire apparaît incolore en lame mince, les impuretés d'oxyde de fer(II) (FeO) lui confèrent une teinte verte en lame épaisse. Le dioxyde de manganèse (MnO₂ ) , qui donne au verre une couleur violette, peut être ajouté pour éliminer la teinte verte due au FeO. L'oxyde de fer (III) et l'oxyde de chrome( III ) (Cr₂O₃ ) sont utilisés comme additifs dans la production de bouteilles vertes. L'oxyde de fer(III) , quant à lui, produit un verre jaune ou jaune-brun. De faibles concentrations (0,025 à 0,1 %) d' oxyde de cobalt (CoO) produisent un verre bleu cobalt intense et profond . Le chrome est un colorant très puissant, donnant un vert foncé. Le soufre combiné au carbone et aux sels de fer produit un verre ambré dont la teinte varie du jaunâtre au presque noir. Un verre en fusion peut également acquérir une couleur ambrée sous atmosphère de combustion réductrice. Le sulfure de cadmium produit le rouge impérial et, combiné au sélénium, il peut produire des nuances de jaune, d'orange et de rouge. L'ajout d' oxyde de cuivre(II) (CuO) produit une couleur turquoise dans le verre, contrairement à l'oxyde de cuivre(I) (Cu₂O ) qui donne une couleur brun-rouge terne.

    Vaisselle

    à bière et à vin . Les verres à vin sont généralement des verres à pied , c'est-à-dire des gobelets composés d'une coupe, d'un pied et d'une tige. Le cristal au plomb peut être taillé et poli pour produire des verres décoratifs aux facettes brillantes. Parmi les autres utilisations du verre dans la vaisselle, on trouve les carafes , les pichets , les assiettes et les bols .

    Conditionnement

    les bouteilles et les bocaux . La plupart des verres d'emballage sont en verre sodocalcique , produit par soufflage et pressage . Le verre d'emballage contient moins d'oxyde de magnésium et d'oxyde de sodium que le verre plat, et davantage de silice , d'oxyde de calcium et d'oxyde d'aluminium . Sa teneur plus élevée en oxydes insolubles dans l'eau lui confère une meilleure résistance chimique à l'eau, ce qui est avantageux pour la conservation des boissons et des aliments. Les emballages en verre sont durables, facilement recyclables, réutilisables et rechargeables.

    Pour les applications électroniques, le verre peut être utilisé comme substrat dans la fabrication de dispositifs passifs intégrés , de résonateurs acoustiques en couches minces et comme matériau de scellement hermétique dans l'encapsulation de dispositifs, y compris l'encapsulation très mince à base de verre uniquement de circuits intégrés et d'autres semi-conducteurs en volumes de production élevés.

    Laboratoires

    , et sa transparence permet l'observation des réactions et processus chimiques. Parmi les applications de la verrerie de laboratoire, on trouve les flacons , les boîtes de Petri , les tubes à essai , les pipettes , les éprouvettes graduées , les récipients métalliques revêtus de verre pour le traitement chimique, les colonnes de fractionnement , les tubes en verre, les lignes de Schlenk , les manomètres et les thermomètres . Bien que la plupart des verreries de laboratoire standard soient produites en série depuis les années 1920, les scientifiques font toujours appel à des souffleurs de verre qualifiés pour fabriquer des appareils en verre sur mesure, adaptés à leurs besoins expérimentaux.

    Optique

    Le verre est un matériau omniprésent en optique grâce à sa capacité à réfracter , réfléchir et transmettre la lumière. Ces propriétés optiques, parmi d'autres, peuvent être contrôlées par la variation de sa composition chimique, le traitement thermique et les techniques de fabrication. Les nombreuses applications du verre en optique comprennent les lunettes correctrices, les systèmes d'imagerie ( lentilles et miroirs de télescopes , microscopes et appareils photo ), les fibres optiques en télécommunications et l'optique intégrée . Les microlentilles et les systèmes optiques à gradient d'indice (où l' indice de réfraction est non uniforme) sont utilisés, par exemple, dans les lecteurs de disques optiques , les imprimantes laser , les photocopieurs et les diodes laser .

    Gestion des déchets radioactifs

    Le verre est utilisé pour l' immobilisation des déchets radioactifs de haute activité qui contamineraient les eaux souterraines avec des radionucléides hydrosolubles s'ils étaient enfouis directement dans un dépôt géologique profond . Le verre est particulièrement adapté à cette immobilisation grâce à sa grande durabilité chimique et à sa capacité à incorporer une grande variété d'éléments chimiques dans sa structure. En particulier, les verres borosilicatés alcalins sont les plus couramment utilisés à cette fin ; parmi eux figure le verre simple international , un verre borosilicaté alcalin simple à 6 oxydes utilisé pour les essais de durabilité normalisés. Certains pays, notamment les États-Unis et la Russie , utilisent des verres phosphatés .

    Art moderne du verre

    le verre camée , réalisé pour la première fois depuis l'Empire romain, initialement principalement pour des pièces de style néoclassique . Le mouvement Art nouveau a largement utilisé le verre, avec René Lalique , Émile Gallé et Daum de Nancy dans la première vague française du mouvement, produisant des vases colorés et des pièces similaires, souvent en verre camée ou en verre lustré .

    Aux États-Unis , Louis Comfort Tiffany s'est spécialisé dans le vitrail , tant profane que religieux, pour ses panneaux et ses célèbres lampes. Au début du XXe siècle, la production industrielle d'œuvres d'art en verre s'est développée grâce à des entreprises comme Waterford et Lalique . De petits ateliers peuvent également réaliser des œuvres d'art en verre à la main. Les techniques de fabrication du verre comprennent le soufflage , la fonte au four, la fusion, le thermoformage, la pâte de verre , le travail au chalumeau, la sculpture à chaud et le travail à froid. Le travail à froid englobe le vitrail traditionnel et d'autres méthodes de façonnage du verre à température ambiante. Parmi les objets en verre, on trouve des vases, des presse-papiers , des billes , des perles , des sculptures et des installations artistiques .