Article de référence | Réf : TBA1960 v1

Structure du verre
Verre, le matériau

Date de publication : 10 mars 2013

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INTRODUCTION

Le verre est l'un des matériaux les plus anciens utilisés par l'homme. Né de la rencontre du sable et du feu, ce corps brillant et transparent possède un comportement visqueux, à qui il doit son incomparable aspect et ce mélange de dureté et d'élasticité. On ne peut s'intéresser au verre sans parler de sa structure et de ses multiples constituants dont les proportions déterminent ses propriétés.

Du soufflage au formage industriel, la fabrication du verre a connu maintes évolutions techniques. Au cours des derniers siècles, la technologie float et les progrès dans les méthodes de mise en forme ont contribué à l'obtention d'un verre à faible coût et donc à son immense popularité.

Devenu vitrages, bouteilles, vitrocéramiques, art de la table, le verre est immanquablement inscrit dans notre vie moderne.

De nos jours, le verre s'impose dans la plupart des technologies de pointe, il trouve des applications dans l'informatique, l'énergie, la téléphonie, l'aéronautique. Et dans bien des domaines, il n'est pas prêt d'être supplanté.

Au sens le plus étroit du terme, le verre est un corps brillant, transparent, obtenu par fusion simultanée de la silice (sable, quartz...) et d'un oxyde alcalin ou sel.

Cette définition est loin d'être suffisante, il est effectivement opportun de souligner le comportement visqueux de ce matériau. Pour être précis, le verre qui peut être désigné sous la forme d'un liquide sous-refroidi figé, est un produit minéral, obtenu par fusion et solidification, sans cristallisation, c'est-à-dire lors d'un refroidissement suffisamment rapide. Ce matériau solide non cristallin, qui présente le phénomène de transition vitreuse, illustre à la perfection ce qui est appelé l'état vitreux.

Contrairement aux corps solides minéraux dont la structure est rigoureusement ordonnée, le verre se caractérise par une structure désordonnée, semblable à celle des liquides, tout du moins sans ordre atomique à grande distance. D'ailleurs, issu directement du liquide, le verre conserve un grand nombre de propriétés de ce dernier. Les caractéristiques de son réseau atomique lui confèrent, à l'échelle macroscopique, une grande homogénéité et une totale isotropie (répartition uniforme dans les trois directions). Il possède la transparence aux rayonnements car il a peu d'électrons libres pour résonner. Il peut accepter de larges variations de composition chimique sans règle de stœchiométrie. Il joue, en quelque sorte, vis-à-vis de chacun de ses constituants le rôle de solvant. Enfin, du point de vue mécanique, le verre possède à la température ambiante le comportement d'un solide fragile idéal. Son élasticité est parfaite et sa dureté est appréciable. Peu sensible aux agents atmosphériques, il conserve avec le temps ses propriétés, ce qui justifie son emploi dans le bâtiment.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-tba1960


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1. Structure du verre

1.1 Formation du verre

Tout au long de l'histoire, plusieurs hypothèses ont été émises, pour tenter d'expliquer la formation des verres.

Ainsi, dès 1932, William Zachariasen établit une théorie permettant d'appréhender la structure du verre, cette construction aléatoire est également appelée « réseau désordonné ».

Cette hypothèse est échafaudée sur la base de simples règles de comptabilité et de géométrie :

  • 1.[nbsp ]Les atomes formateurs (Si, B, As, Ge...) sont de petite taille et ne peuvent être entourés que par un nombre réduit d'atomes d'oxygène (3 ou 4), ce nombre est appelé la coordinence de l'atome formateur et induit l'existence de directions privilégiées peu nombreuses (trois ou quatre) assurant la structure lâche ;

  • 2.[nbsp ]Chaque atome d'oxygène est au maximum lié à deux atomes formateurs, cela implique qu'il peut contribuer à deux unités structurales ;

  • 3.[nbsp ]Les polyèdres construits par les oxygènes ne peuvent avoir en commun que leurs sommets, et non les arêtes ou leurs faces ;

  • 4.[nbsp ]Chaque polyèdre a au minimum trois sommets communs avec d'autres polyèdres.

Les éléments structuraux constituent des motifs qui assurent la construction d'un réseau vitreux non régulier (figure ).

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1.2 Constituants du verre

La silice est le constituant majoritaire du verre, elle représente environ 70 % de sa masse. Élément formateur du réseau, elle est directement responsable de la dureté du verre. Son point de fusion est à 1 730 oC. C'est sous forme de sable qu'elle entre dans la fabrication du verre : les sables quartzeux plus purs en contenant plus de 99 %. Plus le pourcentage de silice est élevé et plus le coefficient de dilatation est faible, plus le verre est résistant.

En réalité, la décomposition des matières vitrifiables comprend cinq grandes familles d'éléments :

  • Les oxydes formateurs qui forment le squelette du verre.

    L'élément le plus important pour les verres industriels est le silicium, sa combinaison avec l'oxygène donne le SiO2 (silice).

    Notons...

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    ANNEXES

    1. 1 Ouvrage

      1 Ouvrage

      Encyclopédie du bâtiment – Éditions Techniques de l'Ingénieur – Cet ouvrage n'est plus commercialisé.

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