Introduction
Le verre est un matériau omniprésent dans notre vie quotidienne. Qu'il s'agisse de vitres de fenêtres, de verres de lecture, de verres à vin ou des composants électroniques de nos téléphones portables, les domaines d'application du verre sont multiples et variés. Fondamentalement, les verres sont des solides amorphes qui n'ont pas d'ordre structurel atomique à longue portée. Les verres les plus utilisés sont principalement composés d'oxydes inorganiques tels que le dioxyde de silicium (SiO2) et l'oxyde de sodium (Na2O), ainsi que d'autres adjuvants [1]. Les rapports de mélange - ou la pureté des composants - déterminent les propriétés et donc le champ d'application.
Le verre de silicate pur, également appelé silice fondue, est un type de verre spécial composé d'oxyde de silicium très pur et ne contenant pas d'impuretés significatives. Comparé à d'autres verres inorganiques, il se caractérise par une résistance aux températures élevées, une faible dilatation thermique, une résistance chimique et une biocompatibilité, ainsi qu'une grande transparence optique - allant de l'ultraviolet à l'infrarouge [2]. Ce matériau trouve des applications dans divers domaines, notamment comme lunettes de visualisation dans des environnements à haute température, comme lentilles dans des systèmes laser, pour soutenir des procédures d'implantologie et pour être utilisé dans des instruments d'analyse tels que les dilatomètres.
Mesure des propriétés thermomécaniques des verresVerres au moyen de la DMA
L'analyse dynamique et mécanique (DMA) est une méthode expérimentale permettant d'étudier les propriétés viscoélastiques des matériaux. Il s'agit d'analyser la réponse du matériau à des charges mécaniques périodiques afin de déterminer des propriétés telles que l'élasticité, la viscosité et l'amortissement. Le DMA 303 Eplexor® est un instrument dynamique-mécanique de bureau qui permet d'appliquer des forces totales allant jusqu'à 50 N. Le système a une plage de température allant de -170°C à 800°C, ce qui est unique pour des instruments de table. Grâce à ces propriétés, les matériaux à basse température, tels que les polymères, et les matériaux très rigides, tels que les aciers, les céramiques ou les verres, peuvent être caractérisés jusqu'à des températures de 800°C.
Résultats des mesures
La figure 1 compare la mesure DMA sur un verre flotté conventionnel (courbe bleue), tel qu'il est utilisé dans les fenêtres de maison, avec celle de la silice fondue pure (courbe rouge) de 100°C à 800°C. La mesure a été effectuée en flexion 3 points avec une longueur de flexion libre de 20 mm et une fréquence de 1 Hz. Les échantillons cubiques ont une épaisseur de 1 mm et une largeur de 10 mm, leur contour extérieur ayant été lissé.
Le verre de silice fondue et le verre de silicate pur ont tous deux un module de stockage, E', légèrement inférieur à 70 GPa à 100°C. Le module de stockage, E', décrit les propriétés élastiques du matériau ; en termes simples, il s'agit de sa rigidité.
Avec l'augmentation de la température, le module de stockage du verre de silice fondue diminue légèrement et atteint une valeur d'environ 60 GPa à 500°C. À 566 °C (début extrapolé), on observe une forte diminution du module de stockage, E', ainsi qu'une augmentation significative de tan δ. Tan δ représente les propriétés d'amortissement d'un matériau ou sa dissipation d'énergie.
C'est la caractéristique de la transition vitreuse (Tg) pour les solides amorphes. À des températures inférieures à la Tg, les matériaux sont essentiellement solides et éventuellement fragiles. Lors de la transition vitreuse, l'énergie cinétique des atomes non structurés devient suffisamment élevée pour surmonter les liaisons intermédiaires. À ce stade, le verre devient plus mou et peut être façonné. C'est pourquoi la mesure n'est pas poursuivie lorsque ce point est atteint, afin d'éviter la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion du verre au niveau du porte-échantillon.
En revanche, le verre silicaté pur, comme le montre la figure 1, présente un comportement plutôt atypique pour les solides. Dans la plage de Modèle de burgersLe modèle de Burgers est un modèle général de matériau viscoélastique, couramment utilisé pour décrire une mesure de récupération du fluage sur le site classic.température observée, le matériau ne se ramollit pas. Au contraire, le module de stockage, E', augmente légèrement avec l'augmentation de la température. Babcock et al [3] supposent la coexistence de deux structures atomiques à courte portée qui ont des forces de liaison et des DensitéLa densité de masse est définie comme le rapport entre la masse et le volume. densités différentes. Avec l'augmentation de la température, la structure présentant des forces de liaison atomique plus élevées se forme de plus en plus et le matériau devient plus rigide.
Cet exemple illustre l'utilisation du verre silicaté pur pour des applications à haute température. Si le verre de silicate pur peut également être utilisé pour des températures supérieures à 600°C, le verre de silice fondue conventionnel ne garantirait plus la stabilité structurelle. En outre, cet exemple illustre les différences de comportement que peuvent présenter des matériaux très similaires sur le plan visuel et chimique, et la manière dont l'analyse dynamique et mécanique peut aider à étudier ces différences.
Résumé
L'analyse dynamique-mécanique est une méthode généralement utilisée pour déterminer la transition vitreuse des polymères amorphes et semi-cristallins. Le DMA 303 Eplexor® permet d'analyser des matériaux jusqu'à 800°C - une plage de température inégalée parmi les instruments de table. Cela permet de caractériser et d'évaluer les matériaux utilisés dans la plage de températures de medium à haute température, tels que les métaux, les céramiques ou les verres, en vue de leur application.