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Le verre borosilicate est une forme spécialisée de verre qui utilise l’acide borique comme composant dans sa fabrication. Le résultat de l’ajout de l’élément bore est un type de verre très résistant aux chocs thermiques et présentant un coefficient de dilatation thermique beaucoup plus faible que celui du verre silicaté commun. Dans cet article, une revue du verre borosilicate sera présentée, y compris son développement, ses propriétés et ses utilisations.

Pour en savoir plus sur d’autres types de verre, consultez notre article thématique sur la compréhension du verre.

Développement du verre borosilicate

En 1882, un chimiste allemand nommé Otto Schott s’intéressait à l’expérimentation de moyens de créer du verre capable de résister à des changements soudains de température ou à une exposition à des températures inégales sans se briser. Cette année-là, il a fait la découverte qui a inauguré la création du verre borosilicate. Schott a découvert que l’ajout de l’élément Bore au processus de fabrication du verre entraînait une forme de verre résistante à la chaleur.

Les travaux ultérieurs des chimistes W.C. Taylor et Eugene Sullivan de Corning Glass ont affiné les efforts d’Otto Schott et élargi les propriétés de résistance à la température du verre borosilicate. À la suite de ces innovations, la fabrication de verre sur mesure s’est développée, où il existe maintenant plus d’un million de formulations différentes de verre qui peuvent être personnalisées pour des besoins de produits spécifiques en améliorant les propriétés physiques et mécaniques souhaitées du verre.

L’application la plus connue du verre borosilicate est peut-être née de recherches plus approfondies chez Corning Glass. Après avoir rejoint l’entreprise en 1914, le physicien Jesse Littleton a été chargé de tester et d’évaluer les propriétés physiques de la formulation de verre nouvellement créée. Après que la casserole en céramique de sa femme se soit accidentellement cassée, elle a suggéré que ce verre résistant à la chaleur nouvellement développé pourrait peut-être s’avérer être un produit utile pour la cuisson. Après avoir testé la notion en cuisant un gâteau dans un récipient en verre que Littleton avait ramené à la maison, une nouvelle utilisation du verre borosilicate est née : les ustensiles de cuisine en verre. Corning Glass a introduit une gamme de produits connue sous le nom de Pyrex^®_[1], qui a été pendant de nombreuses années de son cycle de fabrication fabriqué à partir de verre borosilicate.

Propriétés du verre borosilicate

Le verre borosilicate est généralement résistant aux produits chimiques, mais sa propriété physique la plus remarquable est peut-être son faible coefficient de dilatation thermique, ce qui explique pourquoi le verre peut résister à la rupture sous des changements brusques et rapides de température. Le verre est généralement un mauvais conducteur de chaleur, donc lorsque vous prenez du verre chaud et que vous l’immergez dans de l’eau froide, l’extérieur du verre se refroidit rapidement alors que l’intérieur ne le fait pas. Les contraintes causées par la différence de température provoquent le bris du verre.

Avec le verre borosilicate, l’ajout d’acide borique_(H3BO₃) à la formulation donne un verre qui a un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui signifie que lorsque le verre est chauffé ou refroidi, il ne se dilate pas ou ne se contracte pas beaucoup. Cette stabilité dimensionnelle est ce qui permet au verre borosilicate d’être capable de résister aux changements de température rapides et extrêmes sans se fissurer.

La composition chimique du verre borosilicate se compose généralement d’environ 81% de dioxyde de silicium_(SiO2)et de 13% de trioxyde de bore (B_{2 O3)}avec des concentrations moindres d’oxyde de sodium et d’oxyde d’aluminium. (Notez que les concentrations d’oxyde borique peuvent varier, 5-13% est typique). L’élément bore est ce qui fournit au verre sa stabilité dimensionnelle afin que le matériau ne rétrécisse pas ou ne se développe pas à mesure que la température à laquelle il est exposé change.

Le tableau 1 ci-dessous résume les propriétés typiques du verre borosilicate. Notez dans le tableau la valeur du coefficient de dilatation thermique linéaire (3,3 x 10^-6 ) et la plage de température sur laquelle cette valeur s’applique 20^oC, 300^oC. Cette valeur est d’environ 1/3 de celle du verre sodocalcique traditionnel.

Tableau 1 – Propriétés du verre borosilicate

Applications du verre borosilicate

Le problème initial qui tentait d’être résolu au moment où Otto Schott a commencé à expérimenter avec des formulations de verre était de créer un verre capable de résister à une exposition à des températures extrêmes. Par exemple, le verre utilisé dans les lanternes à cette époque finissait par se briser ou se fissurer dans des conditions pluvieuses parce que la pluie froide sur la surface extérieure du verre provoquait un grand gradient de température par rapport à la température de la face intérieure chaude.

Une fois que le verre borosilicate est devenu disponible, ses applications sont devenues immédiatement apparentes. Certaines des utilisations courantes du verre borosilicate comprennent:

• Verrerie de laboratoire
• Lentilles scientifiques et miroirs chauds
• Ustensiles de cuisson et ustensiles de cuisine
• Isolation thermique
• Produits d’éclairage à haute intensité
• Verre de vision
• Lentilles extérieures d’aéronefs
• Radiateurs d’aquarium
• Électronique
• Prototypage rapide

Verrerie de laboratoire

La grande stabilité dimensionnelle et la capacité de tolérer l’exposition à différentes températures en même temps font du verre borosilicate un matériau naturel à partir duquel créer de la verrerie de laboratoire, également appelée vaisselle de laboratoire. Les boîtes de Pétri, les lames de microscope, les bouteilles, les béchers, les flacons, les tubesà essai, les entonnoirs et les instruments de mesure tels que les cylindres gradués en sont tous des exemples courants. Outre les propriétés thermiques favorables, le verre borosilicate est très résistant et non réactif à la plupart des produits chimiques.

Lentilles scientifiques et miroirs chauds

Le verre borosilicate peut être moulé en composants optiques de haute précision tels que des lentilles pour une utilisation dans des télescopes et d’autres dispositifs optiques de précision. Le faible coefficient de dilatation thermique du verre borosilicate signifie que les propriétés optiques des lentilles seront stables en cas de changement de température, car la lentille en verre ne changera pas de manière significative ses dimensions. Le verre est également idéal pour une utilisation dans des miroirs chauds qui réfléchissent la lumière infrarouge.

Ustensiles de cuisson et ustensiles de cuisine

Parmi ses premières et plus courantes utilisations, il y a la création d’ustensiles de cuisine ménagers et de pâtisseries. Les propriétés thermiques des ustensiles de cuisine en borosilicate permettent de les transporter d’un four chaud à un comptoir frais sans crainte de craquelures ou de bris. Il est également utilisé dans des produits tels que les tasses à mesurer et est sûr pour une utilisation dans les fours à micro-ondes et les lave-vaisselle.

Isolation thermique

Les propriétés thermiques du verre borosilicate ont été utilisées pour fabriquer les carreaux thermiques qui protégeaient la navette spatiale de la chaleur de la rentrée dans l’atmosphère terrestre.

Produits d’éclairage à haute intensité

Les lampes de scène et les produits d’éclairage utilisés dans l’industrie cinématographique utilisent des lentilles en verre borosilicate, car ces lumières peuvent atteindre des températures élevées lorsqu’elles sont utilisées en continu pendant des heures. D’autres produits de lampe qui utilisent des décharges à haute intensité (HID), tels que les lampes à vapeur de mercure ou les lampes aux halogénures métalliques, utiliseront des lentilles borosilicates ou des enveloppes extérieures.

Verre de vision

Dans les processus industriels, les réservoirs utilisent des lunettes de vue qui sont souvent fabriquées à partir de verre borosilicate. Ces lunettes de vue permettent la surveillance visuelle des substances et des processus sans qu’il soit nécessaire d’ouvrir le réservoir ou le récipient de stockage, et sans interrompre le processus.

Lentilles extérieures d’aéronefs

Les lampes extérieures d’un avion utilisent des lentilles en verre borosilicate en raison des propriétés optiques claires (transmissibilité) et de la capacité de résister à la différence de température subie pendant le vol à haute altitude. La figure 1 ci-dessous montre un exemple des caractéristiques de transmission optique d’un type de verre borosilicate. Notez les performances très plates sur tout le spectre de la longueur d’onde de 300 à 1200 nm.

Crédit image : https://www.schott.com/d/tubing/9a0f5126-6e35-43bd-bf2a-349912caf9f2/schott-algae-brochure-borosilicate.pdf

Radiateurs d’aquarium

Les radiateurs d’aquarium sont une application très courante pour le verre borosilicate, où le tube chauffant est exposé à un gradient thermique de l’élément chauffant intérieur en nichrome et de l’eau beaucoup plus froide dans le réservoir.

Électronique

Le verre borosilicate est utilisé dans l’industrie de la fabrication de semi-conducteurs pour l’électronique moderne où les plaquettes de silicium peuvent être collées au verre borosilicate gravé.

Prototypage rapide

Dans la modélisation par dépôt fondu, une forme d’impression 3D ou de fabrication additive, le verre borosilicate est un matériau idéal pour une utilisation sur laquelle les matériaux plastiques chauffés et extrudés sont déposés pendant le processus de construction.

Sommaire

Cet article a fourni un bref aperçu de ce qu’est le verre borosilicate, de son développement, des propriétés du matériau qui rendent ce matériau utile et de certaines des applications les plus courantes qui l’utilisent. Pour plus d’informations sur d’autres produits, consultez nos guides supplémentaires ou visitez la plate-forme Thomas Supplier Discovery pour localiser les sources potentielles d’approvisionnement ou consulter les détails sur des produits spécifiques.

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