Comprendre le verre - Types, propriétés et fabrication

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Du Pyrex résistant à la chaleur aux pare-brise de sécurité feuilletés en PVB, le verre est disponible sous de nombreuses formes. Certains des matériaux communément appelés verres sont en fait du plastique ou des mélanges plastique-verre, bien que le terme verre n’indique pas explicitement une composition chimique particulière. Le terme peut décrire n’importe quel nombre de solides durs, amorphes, inorganiques et uniformes produits lorsque les matériaux fondus fondus sont refroidis suffisamment rapidement pour empêcher la cristallisation. Cependant, les substances typiques utilisées dans la fabrication du verre sont les silicates, les borates et les phosphates.

Le verre est un matériau inflexible qui se forme en chauffant un mélange de matériaux solides secs jusqu’à ce qu’il atteigne un état semi-solide, puis en refroidissant rapidement le mélange pour l’empêcher de former la structure cristalline que possèdent la plupart des matériaux solides. Au fur et à mesure que le verre refroidit, les atomes se verrouillent dans un état désordonné similaire à celui d’un liquide avant de pouvoir former l’état cristallin d’un solide. Comme le verre n’est ni un liquide ni un solide, mais possède plutôt les qualités des deux, le verre existe en tant que type de matière distinct.

En raison de sa résistance et de sa polyvalence, le verre a des applications presque illimitées. Il est largement utilisé dans la construction, fournissant un revêtement pour la plupart des bâtiments modernes et des éléments de verre architecturaux réguliers pour la plupart des autres structures habitables. Il trouve diverses utilisations dans la maison, que ce soit comme ustensiles de cuisine, écrans de télévision ou ampoules. C’est probablement le matériau le plus important en astronomie, qui a été rendu possible à l’origine par l’utilisation de différentes lentilles de verre. Outre ses utilisations évidentes dans les laboratoires biologiques, chimiques et médicaux (tubes à essai, béchers, microscopes), le verre constitue également une partie du boîtier de la plupart des instruments. Bien que les verres en polycarbonate aient largement remplacé le verre dans les lunettes, les verres en verre étaient, historiquement, le seul moyen d’améliorer la vision. Même l’art doit beaucoup au verre, car les vitraux et de nombreux objets décoratifs en verre de l’Antiquité ont survécu et ont inspiré les artistes pendant plus de mille ans.

Dans l’industrie moderne, le verre remplit de nombreuses fonctions biomédicales et liées à l’optique. C’est également un composant nécessaire dans de nombreux dispositifs aérospatiaux et avioniques, ainsi qu’une substance utile dans la technologie des semi-conducteurs et l’électronique. En raison de ses propriétés uniques, certains types de verre sont utilisés dans les circuits intégrés. Il fournit également un matériau de renforcement pour les plastiques stratifiés. Les billes de verre sont utilisées dans le sablage et les feuilles de verre sont une condition préalable de la plupart des fabricants de miroirs.

Cet article donne une compréhension des propriétés uniques du verre, expliquant les différents types de verre et leurs compositions. De plus, la façon dont le verre est fabriqué est explorée, ainsi que certaines des différentes façons dont le verre peut être traité ou fini après la fabrication.

Propriétés

Bien qu’il existe de nombreux types de verre différents et que leurs propriétés varient en fonction de leurs compositions chimiques, il existe quelques caractéristiques que la plupart des types de verre ont en commun. Malgré sa réputation de fragilité, le verre est mécaniquement résistant. Les imperfections de surface affaiblissent le verre, mais il existe des procédés pour minimiser les défauts et le renforcer. Le verre est un matériau dur qui résiste dans une certaine mesure aux rayures et à l’abrasion. Le verre est généralement chimiquement résistant à la plupart des acides industriels et alimentaires, et sa résistance aux autres produits chimiques varie. Il est élastique et cède sous la contrainte avant de reprendre sa forme d’origine. Bien sûr, le verre a un point de rupture qui varie selon le type.

Le verre est résistant aux chocs thermiques, ce qui signifie qu’il peut bien résister aux changements brusques de température et qu’il est capable de supporter une chaleur et un froid intenses, à divers degrés. Il absorbe la chaleur, retient la chaleur au lieu de la conduire et absorbe mieux la chaleur que le métal. Le verre peut réfléchir, plier, transmettre et absorber la lumière avec une grande précision et est très apprécié pour ses propriétés optiques. Il résiste fortement au courant électrique et stocke bien l’électricité.

Types de verre

Le verre est divisé en types en fonction de sa composition chimique. Ce sont quelques-uns des types les plus courants.

Un verre de soda au citron

Le verre sodocalcique, également connu sous le nom de verre silico-sodo-calcique ou verre à vitre, est le type de verre le plus courant et le moins cher. Il contient environ 70% de silice, ainsi que de la soude, de la chaux et de petites quantités d’autres composés. La soude abaisse la température à laquelle la silice fond, tandis que la chaux stabilise la silice. Environ 90 % du verre fabriqué est de la chaux sodée. Il est chimiquement stable, souvent peu coûteux et très maniable car il peut être ramolli plusieurs fois au cours de la fabrication d’un produit. C’est un verre plus tendre, ce qui est un atout pour la fabrication par découpe, mais cela signifie qu’il est moins résistant aux rayures que d’autres types de verre, comme le borosilicate et le quartz fondu.

Le verre sodocalcique est souvent renforcé chimiquement pour augmenter sa résistance, ou il peut être trempé pour augmenter sa résistance et sa résistance aux chocs thermiques. Comme son surnom l’indique, il est couramment utilisé dans Windows. Il est également utilisé pour les récipients en verre ménagers. La chaux sodée a une large gamme d’applications.

Verre au plomb

Le verre au plomb, également appelé verre d’oxyde de plomb ou cristal au plomb, est composé d’au moins 20 % d’oxyde de plomb. Il a également été appelé verre silex puisque la formule originale des années 1600 utilisait du silex calciné comme source de silice, mais maintenant le silex n’est plus utilisé dans sa création. C’est un verre plus doux, ce qui facilite la découpe de motifs qui mettent en valeur son indice de réfraction élevé. Il ne peut pas supporter des températures élevées ou des changements brusques de température.

Parce que le verre au plomb est réfractif et plus cher que le verre sodocalcique, il était couramment utilisé pour la vaisselle en verre décorative. Cependant, les dangers liés à l’ingestion de plomb étant désormais bien connus, le verre au plomb est aujourd’hui principalement utilisé pour des applications électriques en raison de ses propriétés d’isolation électrique et de sa température de fusion plus faible. La basse température de fusion est souhaitable pour le thermoscellage afin qu’il puisse être scellé autour de l’électronique sensible aux températures plus élevées. Il est également utilisé pour les applications de blindage pour protéger contre les rayons X et les rayons gamma dans les travaux médicaux, techniques et de recherche, et pour les verres optiques en raison de son indice de réfraction.

Borosilicate

Le verre borosilicaté est composé d’au moins 5% d’oxyde borique. Durable et résistant à la chaleur, le verre borosilicaté est le matériau de choix pour une large gamme d’applications, des ustensiles de cuisine à l’utilisation en laboratoire.

La création de verre borosilicaté nécessite des températures plus élevées que celles nécessaires à la production de verre ordinaire, bien que cela explique également sa résistance à la chaleur plus élevée. Il subit également beaucoup moins de contraintes matérielles que le verre ordinaire en raison de son coefficient de dilatation thermique plus faible, ce qui ajoute également à ses performances exceptionnelles à haute température. De plus, le verre borosilicaté est beaucoup plus durable que le verre traditionnel et peut résister à des accidents qui briseraient d’autres articles en verre. Même lorsqu’il se fissure, il fonctionne généralement mieux, car il se brise rarement.

Le verre borosilicaté est souvent utilisé pour les laboratoires scientifiques et médicaux car il offre une excellente résistance chimique en plus de ses autres qualités utiles. Tout, des tubes à essai, des tiges et des béchers aux éprouvettes graduées, aux pipettes et aux bouchons, est produit à partir de borosilicate et utilisé dans les laboratoires du monde entier. Bien que le verre borosilicaté offre une résistance exceptionnelle aux acides, il est moins résistant à une gamme d’alcalis, et parfois d’autres matériaux doivent être pris en compte. Le verre borosilicaté est également utilisé dans certaines optiques telles que les miroirs car il conserve bien sa forme lors des changements de température. D’autres utilisations incluent le renforcement de divers composés plastiques et dans diverses jauges et surfaces de verre protectrices.

La principale distinction du verre borosilicaté par rapport au verre traditionnel est la substitution de l’oxyde de bore à la soude et à la chaux dans le processus de fabrication. Le verre borosilicaté doit contenir au moins cinq pour cent d’oxyde de bore, ce qui aide à lier le silicate et l’oxyde d’aluminium et l’oxyde de sodium.

Aluminosilicate

Le verre d’aluminosilicate contient de l’oxyde d’aluminium. Sa composition varie mais contient généralement entre 20% et 40% d’oxyde d’aluminium. Il a des propriétés comparables au verre borosilicaté mais est plus résistant à la chaleur, tolère des températures jusqu’à 800 ^o Celsius et a une meilleure résistance chimique. En raison de cette résistance à la chaleur, il est beaucoup plus difficile à fondre et donc à fabriquer que le verre borosilicaté. Les deux principaux types de verre d’aluminosilicate sont le verre d’aluminosilicate alcalino-terreux et le verre d’aluminosilicate alcalin. Les verres d’aluminosilicate alcalino-terreux ont un point de ramollissement très élevé et sont généralement utilisés pour les ampoules en verre des lampes halogènes, les thermomètres à haute température, et peuvent être recouverts d’un film électriquement conducteur et utilisés pour les résistances dans les circuits électroniques. La teneur élevée en alcali des verres d’aluminosilicate alcalin améliore leur résistance à la compression de surface. Ils sont également très durs et résistants aux rayures. Ils sont couramment utilisés pour les écrans tactiles, tels que les écrans de smartphone, et pour les cellules solaires en verre de protection et en verre de sécurité feuilleté.

Verre à haute teneur en silice

Le verre à haute teneur en silice est créé en faisant fondre le verre pour en éliminer presque tous les éléments non silicates. Ce processus peut aboutir à un appoint de 95 à 99 % de silice. En raison du manque d’agents fondants, le verre à haute teneur en silice est extrêmement difficile à fondre, avec une température de déformation aussi élevée que 1 700 ºC, ce qui signifie qu’il peut être utilisé à des températures aussi élevées qu’environ 1 000^o C. Le verre à haute teneur en silice a une très faible dilatation thermique, une très bonne durabilité chimique, des propriétés optiques et des propriétés mécaniques, mais les températures de traitement extrêmement élevées sont un facteur limitant pour la production et l’application à plus grande échelle.

Au fur et à mesure que la technologie s’améliore, la capacité d’atteindre une plus grande pureté du verre à haute teneur en silice s’est améliorée, permettant de fabriquer des qualités de verre de plus en plus élevées. Le verre à haute teneur en silice est souvent utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs car la silice ne contamine pas les tranches de silicium, et pour les fibres optiques, les tubes de lampe transmettant les UV, l’optique de précision, les tubes réfractaires et comme renfort de fibre dans les composites.

Quartz fondu

Le verre de quartz fondu, également appelé verre de silice fondue ou verre de silice vitreuse, est fabriqué en purifiant et en fondant la silice cristalline naturelle, présente dans le sable ou le cristal de roche, soit par fusion électrique, soit par fusion à la flamme. Le verre obtenu est hautement transparent, même à la lumière ultraviolette et infrarouge, et résistant aux intempéries et aux chocs. Il est très difficile à fabriquer, car la fusion se produit à environ 1650 ^o C, il est donc très coûteux. Cependant, cette température de fusion élevée signifie également qu’il peut supporter des températures allant jusqu’à 1400 ° C pendant de courtes périodes, ce qui le rend capable de résister aux températures les plus élevées de n’importe quel verre. En raison de cette résistance, le verre de quartz fondu est souvent utilisé pour les applications aérospatiales, en particulier les fenêtres des engins spatiaux habités.

Fabrication et finition du verre

Bien que certaines variantes de fabrication existent dans la création de différents types de verre, ce qui suit décrit le processus de base utilisé pour créer les types de verre les plus courants, tels que le verre sodocalcique.

Fabrication

Les ingrédients qui composent le verre varient selon le type de verre. Le composant principal du verre, appelé ancien, doit être chauffé à très haute température pour devenir visqueux. Le plus courant est le dioxyde de silicium, présent dans le sable. Le premier est mélangé à un fondant, ce qui l’aide à fondre à une température plus basse. Les fondants courants sont le carbonate de sodium et la potasse. Un stabilisateur est également utilisé pour empêcher le verre de se dissoudre ou de former des impuretés cristallines indésirables. Un stabilisant commun est l’oxyde de calcium, du calcaire. Ces ingrédients secs sont mélangés ensemble dans un lot. Un four fait fondre la charge pour former un composé liquide. Le calcin, composé de verre brisé, est ajouté au lot pour l’aider à fondre.

Si du verre coloré est fabriqué, un oxyde métallique est ajouté au lot. Le fer colore le verre en vert, le cuivre le bleu clair, le cobalt un bleu foncé, l’or un rouge profond. Le verre à faible teneur en fer est recommandé pour colorer le verre de n’importe quelle couleur autre que le vert. En petites quantités, le dioxyde de manganèse est utilisé pour décolorer le verre, mais en grande quantité, il colore le verre en violet, ou avec une quantité plus élevée, en noir.

Après sa fusion, le verre visqueux est ensuite versé dans un bain d’étain en fusion, puis mis en forme de ruban et refroidi. Le processus de refroidissement lent et régulier est appelé recuit. Le verre doit être refroidi uniformément, car si une zone reste plus chaude plus longtemps, elle devient plus épaisse et les différents niveaux d’épaisseur entraînent une contrainte sur le morceau de verre. Un morceau de verre mal recuit est plus susceptible de se fissurer.

Coupe

Ensuite, le verre recuit est découpé aux dimensions souhaitées. Cela se fait généralement avec des machines à commande numérique par ordinateur, ou des machines CNC, qui sont capables d’opérations extrêmement précises. Les machines CNC fonctionnent selon des logiciels spécifiques de FAO et de CAO, qui leur permettent d’usiner n’importe quel nombre de pièces avec une précision identique. Ils sont également capables d’effectuer un large éventail de tâches d’usinage normalement accomplies par des équipements spécialisés : ils peuvent couper des courbes et des lignes droites, percer des trous et meuler des rainures. Les machines CNC utilisées dans la fabrication du verre utilisent des outils distinctifs, notamment des outils abrasifs diamantés, des pointes diamantées et des meules en carbure, pour obtenir une meilleure précision et des capacités de travail du verre.

Une fois le verre coupé et façonné, les fabricants effectuent généralement des services de polissage, de laminage et d’autres services de finition. Les miroirs et lentilles polis représentent une part importante du marché de la fabrication du verre. Ces articles exigent généralement une précision extrême et les tolérances de surface doivent être exactes pour que les composants fonctionnent comme souhaité. Ces composants de précision sont utilisés dans les télescopes, les prismes, les lentilles laser et les miroirs, et d’autres optiques, qui sont tous fortement affectés par les imperfections et les imprécisions.

Trempe

La trempe est un traitement thermique qui renforce le verre à environ quatre fois la résistance du verre non trempé. Si le verre trempé se brise, il se fracture en petits morceaux arrondis au lieu d’éclats déchiquetés.

Le processus de trempe commence par le verre coupé et lavé traversant un four de trempe, soit en discontinu, soit en continu. Le verre est chauffé à plus de 600 ^o Celsius avant de passer par la trempe, le processus de refroidissement. Pendant la trempe, de l’air à haute pression souffle le verre à partir de buses dans de nombreuses positions différentes. La surface extérieure du verre se refroidit beaucoup plus rapidement que le centre, ce qui conduit le centre du verre à essayer de se retirer de la surface extérieure. Le résultat est que le centre reste en tension et que l’extérieur entre en compression, donnant au verre trempé sa force.

Le verre peut également être trempé chimiquement. Le verre est immergé dans un bain de sel de potassium fondu qui provoque le remplacement des ions sodium du verre par des ions potassium plus gros. Les plus gros ions potassium remplissent les vides laissés par les ions sodium, ce qui crée un état de compression à la surface extérieure du verre. Cette méthode est plus coûteuse que l’utilisation d’un four de trempe, elle n’est donc pas aussi largement utilisée.

Un inconvénient du verre trempé est qu’il ne peut pas être retravaillé une fois trempé, il doit donc être complètement façonné avant le processus. De plus, en raison de la contrainte équilibrée du verre trempé, si une partie de celui-ci est endommagée, tout le morceau de verre risque de se briser.

Le verre trempé est un type de verre de sécurité, utilisé pour les vitres de voiture, les portes d’entrée et d’autres applications où le bris de verre peut mettre en danger les humains.

Stratification

Le laminage est une autre façon de créer du verre de sécurité. Le feuilletage consiste à renforcer le verre avec un intercalaire en matière plastique. L’intercalaire renforce non seulement le verre, mais maintient également les morceaux de verre ensemble s’ils sont brisés, l’empêchant de se briser.

Il existe quelques procédures de laminage. Deux ou plusieurs morceaux de verre sont collés, en utilisant la chaleur et la pression, entre une ou plusieurs couches d’adhésifs, généralement du polyvinyl butyral (PVB) ou de l’éthylène-acétate de vinyle (EVA). Une autre méthode consiste à lier deux ou plusieurs morceaux de verre avec une couche intermédiaire d’uréthane aliphatique ou d’EVA, en utilisant la chaleur et la pression. Le verre peut également être intercalé avec une résine durcie ou avec de l’EVA.

Le verre feuilleté est difficile à couper à cause de ses couches de plastique, mais pas impossible. Lorsque le verre feuilleté est endommagé, il se fissure généralement en forme de toile d’araignée au lieu de se briser en plusieurs morceaux dangereux.

Sommaire

Cet article a présenté une compréhension du verre, de ses propriétés, de sa fabrication et des différents types de verre. Pour plus d’informations sur les produits connexes, consultez nos autres guides ou visitez la plateforme de découverte des fournisseurs Thomas pour localiser les sources potentielles d’approvisionnement ou afficher les détails sur des produits spécifiques.

Sources:

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