La conception à l`origine du succès Formulation du verre sur mesure

La conception à l’origine du succès
Formulation du verre sur mesure
par Ian Doggett, spécialiste technique, Division de la céramique et du verre de Goodfellow
[email protected]
Le verre comporte deux principales caractéristiques
déterminantes : il s’agit d’un solide amorphe (non
cristallin) ou, autrement dit, sans positionnement à
longue portée de ses molécules, et il présente une
transition réversible d’un état dur et cassant à un
état fondu lorsqu’il est chauffé, sans changement
prononcé dans la structure du matériau. Ces deux
caractéristiques sont à la base du développement de
formulations innovantes du verre qui peuvent conduire
à des solutions novatrices aux défis présentés par la
haute technologie.
Le succès de la formulation du verre exige des
connaissances approfondies dans les matières premières
à utiliser, une compréhension de l’interaction dynamique
entre ces matières premières et une grande expérience
dans le processus de formulation lui-même. Un autre
élément essentiel à la formulation du verre vient compléter
ces compétences : un état d’esprit qui privilégie la
perspective de création de quelque chose de nouveau et
d’unique qui se différencie de tout autre matériau.
Relever le défi de l’application
La décision prise par un chercheur ou un fabricant
concernant l’étude de faisabilité d’une formulation de
verre personnalisée pour une application technique suit
généralement un examen approfondi de la littérature
scientifique et une période d’évaluation interne des
matériaux existants. Étant donné les caractéristiques et les
performances requises, quels sont les matériaux familiers
ou faciles à obtenir pour faire le travail? Une formulation du
verre sur mesure ne pourra être envisagée qu’une fois que
tous les candidats auront été éliminés.
Aujourd’hui, le verre technique spécialement formulé
se retrouve dans une liste croissante de domaines
scientifiques (voir encadré). Plus important que le domaine
d’application particulier cependant, la performance qui peut
être intégrée à la performance du verre ou lui être rajoutée est
potentiellement en mesure de trouver une application dans
Applications du verre technique : une question
d’équilibre
Quasiment toute application du verre technique
nécessite un équilibre des propriétés, un équilibre
bien plus délicat que celui de la plupart des verres
disponibles dans le commerce et qui répond à des
objectifs de performance spécifiques. Par exemple, le
verre personnalisé illustré ici avait besoin de propriétés
spécifiques pour son utilisation dans un nouveau
produit et devait pouvoir être facilement usiné afin
de le fabriquer en quantités commerciales. Plusieurs
compositions différentes du verre ont été produites,
puis usinées, avant de parvenir à la formulation idéale.
Ce processus expérimental hautement raffiné est
tout à fait classique dans le développement du verre
personnalisé. Ce n’est que lorsque la science de la
formulation rencontre l’application dans le monde réel
que la combinaison gagnante émerge.
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un certain nombre de domaines. Des exemples d’influence de la
fonction par la formulation sont illustrés ci-dessous.
P
ersonnalisation des propriétés thermiques
E
n choisissant minutieusement le type et les proportions des
matières premières et les ajustements à apporter au processus
de formulation lui-même, il est possible d’atteindre la température
de fusion spécifique nécessaire pour une application particulière.
Par exemple, le verre durable est conçu pour une fusion à 400
°C, tandis que d’autres verres sont réalisés avec une température
de transition vitreuse inférieure à 150 °C. Même le verre non
personnalisé existant peut être modifié pour fondre à 100 °C de
moins que les verres de récipients classiques.
D
’autres propriétés thermiques peuvent également être modifiées
dans le processus de développement du verre technique. Il s’agit
d’un facteur important dans la mesure où l’adaptation de la stabilité
et/ou la dilatation thermique à d’autres matériaux ou aux besoins
opérationnels de l’application est essentielle à l’intégrité et la
performance structurelles. Un exemple pratique, bien que de très
haute technologie, du contrôle des propriétés thermiques lors de la
formulation peut être observée dans les miroirs du télescope spatial
Hubble. Ils sont fabriqués dans un verre à très faible capacité
de dilatation et conservés à température ambiante quasiment
constante (21 °C) pour empêcher la déformation.
Le verre spécialement formulé est essentiel dans
l’industrie de la fibre optique.
Industries utilisant du verre
technique spécialement formulé
Aéronautique: instrumentation,
dispositifs de protection contre le
rayonnement, connecteurs
Automobile: contrôles d’éclairage,
capteurs, systèmes de déclenchement
d’air bag
Électronique: capteurs, condensateurs,
thermostats, revêtements de composants
Télécommunications: appareils à fibres
optiques
Optique: lentilles spécialisées, miroirs,
filtres d’infrarouges et d’UV
Piles à combustible et micro-ondes:
connecteurs hermétiques, composants
d’étanchéité
Médical: revêtements bioactifs pour les
implants orthopédiques
L’adaptation des propriétés thermiques du verre au métal
dans ces joints hermétiques est essentielle au bon succès
des performances.
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B
locage ou canalisation de l’énergie
électromagnétique
E
n tant que revêtement ou composant, le verre peut être formulé
pour bloquer ou canaliser certaines longueurs d’onde de lumière
(par exemple, les UV et les infrarouges), ainsi que pour bloquer
le rayonnement. Bien que les revêtements en verre pour bloquer
les rayons UV soient disponibles depuis longtemps, un verre
est actuellement en cours d’élaboration avec une protection
directement intégrée contre les UV. Un filtre passe-bande à base
de verre particulièrement sophistiqué a également été développé
pour une transmission infrarouge hermétique. Une application
moins complexe, mais peut-être plus largement appréciée du
verre spécialement formulé, se retrouve dans les bouteilles de
bière teintées et est utilisé pour protéger leur précieux contenu
d’une « exposition à la lumière du jour » qui détruit la saveur.
L
e verre au plomb, s’il n’est pas aussi facilement disponible
qu’il l’était par le passé, reste le meilleur moyen de protéger
l’électronique aérospatiale du rayonnement lors de son utilisation.
En ce qui concerne la détection du rayonnement, l’ajout d’un
dopage d’oxyde spécifique pendant la formulation du verre a
donné lieu à un verre spécialisé qui est utilisé dans la mise en
place et l’étalonnage de séries standard pour la spectroscopie de
fluorescence par rayons X.
Certaines propriétés qui peuvent
être modifiées par la formulation
du verre sur mesure
•P
ropriétés thermiques: température
de fusion, stabilité, dilatation pour
la compatibilité avec d’autres
composants
•D
urabilité physique: extrême
dureté, résistance à l’abrasion pour
des revêtements et des composants
résistant à l’usure
•C
ouleur: esthétique et fonctionnelle
pour le verre et les vernis
•D
urabilité chimique: résistance aux
acides et aux bases
•A
ssortiment et dispersion d’indice
de réfraction: pour les applications
optiques et à fibres optiques
O
ptimisation de la puissance de la lumière et
de la couleur
P
our le domaine exigeant de la communication par fibre
optique, le verre a été formulé pour créer des substrats DWDM
(multiplexage par répartition en longueur d’onde dense) utilisés
pour augmenter considérablement la capacité fonctionnelle des
brins de fibre optique. Les spécialistes en matière de formulation
de verre technique ont également développé un verre dichroïque
(du grec pour « bicolore ») innovant qui varie du rouge au vert
selon l’éclairage et l’environnement. Il est possible d’y parvenir
par plusieurs ajouts d’oxyde dans le verre plutôt que par des
revêtements multicouches classiques mais moins fiables. Et
dans de nombreuses applications esthétiques et fonctionnelles,
le dopage sélectif de terre rare peut produire un contrôle plus
étroit de la couleur finale souhaitée.
Collaboratif, mais confidentiel
Le développement de tout nouveau matériau ou composant dans
un environnement commercial reste hautement confidentiel.
Cependant, le processus de développement et de partenariat
avec des spécialistes extérieurs est, de par sa nature, intensément
collaboratif. La confiance mutuelle et le respect, motivés par la
perspective de développement de quelque chose de nouveau
qui répond à un besoin unique, peuvent en faire un voyage de
découverte partagé dont les performances et le succès commercial
est largement rétribué.
Les miroirs sur le télescope spatial Hubble
sont fabriqués en verre à très faible capacité
de dilatation.
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