Vidro

Podemos distinguir duas definições de vidro  :

Extensões da palavra "vidro"

A definição clássica da palavra "vidro" (um material duro, frágil e transparente, à base de sílica) é insuficientemente precisa, até porque incluiria o quartzo entre os vidros. O desenvolvimento de novos materiais transparentes, ao longo do século passado, tornou esta definição obsoleta e uma fonte de confusão, em particular porque é difícil garantir que um material frágil e transparente seja realmente muito duro e realmente feito de sílica. O exemplo mais óbvio é o vidro para óculos que, embora seja denominado "vidro", não corresponde à primeira definição: os vidros atuais não são nem particularmente duros nem à base de sílica (são materiais orgânicos).

Também falamos de "contas de vidro" para materiais produzidos por mais de 3.000 anos, mesmo que essas contas não sejam transparentes (a aparência vítrea é suficiente para dar-lhes o nome de vidro). O mesmo vale para millefiori produzidos desde a antiguidade. A lã de vidro não precisa ser transparente, então pode ser apenas translúcida ou até preta (o mesmo para a espuma de vidro). Portanto, chamamos de "vidro" na linguagem cotidiana os objetos que não são feitos dele, no sentido da definição comum de vidro. Por outro lado, certos materiais correspondem perfeitamente à definição comum de vidro sem ser um: além do quartzo, certas cerâmicas são materiais de silicato, duros, frágeis, transparentes no visível, mas não são vidros.

A comunidade científica internacional dá, portanto, outra definição de vidro: do ponto de vista físico, o vidro é um material amorfo (ou seja, não cristalino ) que exibe o fenômeno da transição vítrea. Abaixo de sua temperatura de transição vítrea , que varia muito com a composição do vidro (mais de 1000  ° C para a sílica vítrea, menos de 40  ° C para o selênio amorfo), o vidro aparece no estado vítreo. Hoje, um grande número de sólidos amorfos são agrupados sob o nome de "vidro". Assim, não são produzidos apenas vidros minerais, mas também vidros orgânicos e até vidros metálicos .

Tipologia

Há pouco mais de um século, apenas um material ou uma liga dura , frágil (quebradiça) e transparente à luz visível (muitas vezes mesmo, era considerada como "vidro", mesmo para a comunidade científica ). Este termo é reservado para uma liga à base de sílica). Naquela época, o vidro era mais frequentemente feito de dióxido de silício ( sílica SiO 2, o principal constituinte da areia ) e fluxos . Na linguagem comum, essa definição persiste, pois ainda hoje, entre todos os tipos de vidros artificiais, o mais comum é o vidro soda-cal .

Há mais de quatro mil anos, ceramistas egípcios e fabricantes de cal descobriram que aquecendo a sílica SiO 2 (areia), com natrão , transformada em soda por secagem e purificação, e cal virgem , faziam um material mais ou menos vítreo e transparente. Ao adicionar certos ingredientes ou pós minerais coloridos à mistura, esses primeiros vidreiros obtinham vidros específicos ou de várias cores. As proporções de massa da mistura inicial para obter um vidro estável a 650  ° C são aproximadamente:

Daí o esboço sem estequiometria da reação química explicando a formação do concreto de matéria vítrea:

SiO 2 sólido + Na 2 CO 3 sólido + ... - → SiO 2. Na 2 O ... vidro estável + CO 2gás

Desde a década de 1920, foi observado e demonstrado, por difração de raios-X (DRX), que uma das especificidades dos vidros era a ausência de uma estrutura cristalina ("ordem") detectável por cristalografia de raios-X . Não sendo esta especificidade específica dos óxidos transparentes, mas de todos os amorfos, reunimos, desde a década de 1920, sob o termo “vidro” a maior parte dos sólidos amorfos . Desde o início do XX °  século, muitas definições ampliaram a definição desatualizada do vidro (através do seu comum: falta de ordem, de transição de vidro,  etc. ) que o limitado a materiais transparentes baseados em óxidos. Assim, não são produzidos apenas vidros minerais, mas também vidros orgânicos e até vidros metálicos . Podemos agrupar vidros inorgânicos em diferentes classes, aqui está a lista exaustiva:

Dentre esses vidros, muitos não são transparentes (vidros oxi-nitrogênio, vidros metálicos ...) ou pelo menos não são visíveis ( vidros calcogenetos ). Além disso, é fácil, sem a necessidade de adicionar grandes frações de óxidos metálicos, produzir vidros de silicato fracamente transparentes ou mesmo opacos. A Obsidiana é um vidro vulcânico, como um silicato, geralmente ligeiramente translúcido, mas preto. O vidro REFIOM também é um vidro óxido, que não é transparente.

História

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Desde a invenção do vidro pelos humanos na bacia do Mediterrâneo oriental com o calor na areia, podemos distinguir culturalmente pelo uso os objetos que são feitos dele. Esta produção de material perigoso está separada do desejo de obter algo queimando-o (o que é, ao contrário, o caso dos metais e da cerâmica); é residual . O simbolismo não será necessariamente o mesmo: para a cerâmica, que também é uma terra transformada, é comida, até os jarros e ânforas gaulesas padrão, incluindo os copos. Para os recipientes de vidro que até os tempos modernos eram bastante pequenos, é a farmácia cosmética e funerária. Assim, ampolas de pescoço longo vão dar a garrafa. Tanto o pote de uma taverna, quanto as taças reais de champanhe e também as garrafas de vinho para guardar. O aspecto econômico é fundamental porque antes da descoberta do carvão, para se obter em 48 horas uma fusão a 1600  ° C , são necessários 22  kg de madeira para obter 1  kg de vidro. O material pesado estabelece ao mesmo tempo sua origem de produção, o mercado e seus escoamentos, os circuitos comerciais desde o Império Romano.

Simbólico

O vidro é um dos primeiros materiais a ser desenvolvido. É o símbolo de fragilidade, sutileza e transparência: por exemplo, o sapatinho de cristal da Cinderela no conto de Charles Perrault e o desenho animado de Walt Disney . É muitas vezes considera-se que no conto original o chinelo foi vair , mas Perrault escreveu seu lado da história com um sapatinho de cristal, o desenho animado também ocupa essa idéia.

No universo dos Elder Scrolls , o vidro é um valioso mineral vulcânico usado em particular para forjar armas e armaduras. Eles são eficazes, mas paradoxalmente frágeis. No entanto, na última edição, Skyrim , nenhum detalhe é dado sobre sua força, já que a degradação do equipamento não é mais levada em consideração no jogo.

Ciência

Físico-química

Esta parte trata do vidro e suas características do ponto de vista físico-químico. Nesta parte, limitaremos nosso estudo aos vidros de óxido . No entanto, existem outros tipos principais de vidros (em particular aqueles compostos apenas por elementos metálicos ) não transparentes à ótica, mas ao magnetismo, vidros metálicos amorfos e vidros de spin , compostos cristalizados caracterizados por uma ausência de ordem magnética de longa distância ( spin ).

Estrutura

O vidro é um material amorfo, ou seja, não cristalino. Como resultado, apresenta uma desordem estrutural significativa. Sua estrutura microscópica é tal que não existe uma ordem de longo alcance em um vidro. Nisto, e apenas nisto, é bastante análogo a um líquido. Tomemos o exemplo da água pura , composta por moléculas de água (H 2 O) Se isolarmos cada molécula de água, em torno de cada átomo de oxigênio, sempre encontraremos dois átomos de hidrogênio  : é uma "ordem" (é reproduzível de uma molécula para outra) a curta distância (na escala da molécula de H 2 O) Por outro lado, se tomarmos duas moléculas distintas de H 2 Ocom referência a um instante t e que olhamos para suas vizinhanças, ou seja, a localização exata das moléculas de H 2 Ovizinhos, obteremos dois resultados completamente diferentes para nossas duas referências. Não há ordem a grande distância (a uma distância maior que a escala da molécula). Chamamos função de distribuição radial , ou função de distribuição de par, a função que dá a probabilidade de encontrar uma partícula (neste exemplo, a molécula de água) entre um raio r e r + d r da referência. A difração de nêutrons permite, por exemplo, avaliar as funções de distribuição radial de um material, para cada elemento, e mostra picos mais amplos para vidros do que para cristais, enfatizando a aleatoriedade da posição dos vizinhos do elemento atômico de referência, no copos.

Encontramos nos óculos a ordem a curta distância (na escala máxima de algumas distâncias interatômicas), mas não além. Isso é ilustrado por um primeiro pico fino de funções de distribuição radial como para um cristal, depois picos cada vez mais alargados, ao contrário de um cristal ideal.

Um vidro pode até ser visto como uma "rede" tridimensional, semelhante à de um cristal, mas na qual apenas a ordem próxima é preservada. Vamos comparar, por exemplo, a estrutura do dióxido de silício (SiO 2) cristalino (em sua forma de cristobalita ) e o de sílica vítrea:

Em ambos os casos, cada átomo de silício está ligado a quatro átomos de oxigênio , formando SiO 4 tetraédrico(ordem de curto alcance); cada tetraedro pode ser considerado um "tijolo" do edifício final. Mas enquanto a cristobalita pode ser definida como uma pilha regular desses tijolos de SiO 4(tem uma ordem de longa distância), a sílica vítrea pode ser considerada como uma pilha aleatória desses mesmos tijolos de SiO 4 (ela não tem mais ordem a grande distância).

Devido à sua estrutura amorfa, os vidros produzem um halo de espalhamento na difração de raios X , ao contrário dos cristais que produzem picos estreitos e intensos.

Componentes principais

Devido à sua estrutura amorfa, o vidro está sujeito a muito poucas tensões estequiométricas . Como resultado, um vidro pode incluir dentro de si uma grande variedade de elementos e apresentar composições muito complexas.

Em um vidro óxido, esses diferentes elementos estão em uma forma catiônica , a fim de formar óxidos com o ânion oxigênio O 2- .

Os cátions envolvidos na composição dos vidros podem ser classificados em três categorias de acordo com o papel estrutural que desempenham durante a vitrificação (formação do vidro): formadores de rede, formadores de não rede (ou modificadores de rede) e intermediários. Os critérios estruturais para esta classificação levam em consideração o número de coordenação (número de átomos de oxigênio aos quais o cátion está ligado) e as forças de ligação .

Em vidros não óxidos (calcogenetos, vidros metálicos,  etc. ), não se pode falar em termos de formadores / modificadores de rede. Em particular, os vidros podem ser feitos com um único elemento, como vidro de enxofre ou vidro de selênio (os únicos elementos conhecidos hoje que podem formar um vidro por conta própria): esses elementos não podem, portanto, ser classificados como formadores ou modificadores. Uma grande quantidade de vidros de calcogeneto pode ser formada, incluindo germânio - selênio , arsênio - selênio , telúrio - arsênio - selênio. Para esses óculos, não falaremos em termos de treinadores / modificadores de rede. Os vidros metálicos são geralmente formados a partir de pelo menos três átomos de carbono com grandes diferenças no raio atômico, de modo a dificultar a cristalização e obter possíveis vidros com taxas de têmpera aceitáveis. Vidros metálicos não possuem ligações covalentes, então também não falaremos em termos de formadores / modificadores de rede.

Formadores de rede

Os treinadores de rede são coisas que, por si só, podem formar uma bebida. Os elementos formadores mais comuns são silício Si (em sua forma de óxido SiO 2), boro B (em sua forma de óxido B 2 O 3), fósforo P (em sua forma de óxido P 2 O 5), germânio Ge (em sua forma de óxido GeO 2) e arsênio As (em sua forma de óxido As 2 O 3)

São elementos metálicos de valência bastante alta (geralmente 3 ou 4 vezes 5), que formam ligações ionocovalentes (meio covalentes, meio iônicas ) com os átomos de oxigênio. Eles dão poliedros de baixa coordenação (3 ou 4), como SiO 4, BO 4ou BO 3. Esses poliedros estão ligados por seus vértices e formam a rede de vidro.

Modificadores de rede

Modificadores de rede (ou não treinadores) não podem formar vidro por conta própria. Estes são principalmente álcalis , alcalino-terrosos e, em menor grau, certos elementos de transição e terras raras .

Eles são geralmente maiores (raio iônico maior) do que os formadores de rede, carregados fracamente e fornecem poliedros de alta coordenação. Suas ligações com os átomos de oxigênio são mais iônicas do que aquelas estabelecidas pelos formadores.

Eles podem ter duas funções estruturais muito distintas, verdadeiros modificadores de rede ou compensadores de carga.

  • Os modificadores de rede verdadeiros quebram as ligações entre os poliedros na rede de vidro, causando a despolimerização do último. Eles então transformam o oxigênio de ligação, que liga dois elementos formadores de rede, em oxigênio não formador de rede, ligado a um único elemento formador de rede. Isso se reflete em escala macroscópica pela redução do ponto de fusão e da viscosidade .
  • Os compensadores de carga, por outro lado, compensam uma carga negativa em um poliedro de formação de rede, por exemplo BO 4- , permitindo que seja estável nesta configuração.
Intermediários

Os elementos intermediários têm comportamentos diferentes: alguns desses elementos são formativos ou modificadores de acordo com a composição do vidro, enquanto outros não terão nem uma nem outra dessas funções, mas um papel intermediário.

Os principais elementos intermediários nos vidros óxidos são alumínio Al, ferro Fe, titânio Ti, níquel Ni e zinco Zn.

Centros coloridos

De metais e óxidos de metal podem ser adicionados durante o processo de fabricação do vidro para afetar sua cor .

  • Adicionar uma pequena quantidade de manganês elimina a tonalidade verde produzida pelo ferro . Em concentrações mais altas , produz uma cor próxima à da ametista .
  • Como o manganês, o selênio usado em pequenas quantidades permite que o vidro seja descolorido. Uma quantidade maior produz uma tonalidade vermelha. O vidro é tingido de azul pela adição de uma baixa concentração de cobalto (0,025 a 0,1%).
  • O óxido de estanho e os óxidos de antimônio e arsênico produzem vidro branco opaco. Este processo foi usado pela primeira vez em Veneza para obter uma imitação de porcelana .
  • Adicionar 2-3% de óxido de cobre produz uma cor turquesa, enquanto a adição de cobre metálico puro resulta em um vidro vermelho opaco e muito escuro, às vezes usado como substituto do rubi dourado .
  • Dependendo da concentração usada, o níquel pode ser usado para produzir vidros azuis, roxos ou mesmo pretos.
  • A adição de titânio resulta em um vidro marrom-amarelado.
  • O ouro metálico adicionado em concentrações muito baixas (0,001% vizinho) fornece um vidro colorido como joias, enquanto concentrações menores ainda levam a um vidro de vermelho menos intenso, muitas vezes descrito como "  groselha  ".
  • De urânio (0,1 a 2%) pode ser adicionado para dar ao vidro uma tonalidade amarela, verde ou roxa, fluorescente ( vidro de urânio ). Este último não é radioativo o suficiente para ser perigoso. Por outro lado, se for triturado para formar um pó, por exemplo, polindo-o com uma lixa , pode ser cancerígeno por inalação.
  • Os compostos à base de prata (em particular o nitrato de prata ) permitem obter tonalidades que vão do laranja-avermelhado ao amarelo. A cor obtida pela adição desses diferentes aditivos depende significativamente de como o vidro foi aquecido e resfriado durante o processo de fabricação.

A cor da embalagem de vidro influencia na preservação do conteúdo. Quando o lúpulo é exposto à luz rica em comprimentos de onda do azul ao ultravioleta, o mercaptano é formado , um composto químico com um odor forte. As garrafas de cerveja costumam ser de cor escura, o que filtra esses comprimentos de onda. A cor verde, que filtra mal o azul, é reservada para cervejas com baixo teor de lúpulo.

Transição de vidro

Do ponto de vista termodinâmico , o vidro é obtido a partir de uma fase líquida super - resfriada solidificada no ponto de transição do vidro , T v .

Para uma dada composição, estamos interessados ​​na variação de uma quantidade termodinâmica de primeira ordem, como o volume ocupado por esta fase (mantendo a pressão constante) ou uma das funções termodinâmicas de energia molar , como a entalpia H , para exemplo. (também poderíamos ter escolhido a energia interna U ).

Vamos dar uma olhada no resfriamento de um líquido. A priori , para temperaturas abaixo da temperatura de fusão T f ( T f depende da pressão), o estado mais estável termodinamicamente corresponde ao estado cristalizado (menor entalpia possível). Em T f , então, observamos uma variação de H ou de volume: esta é uma modificação de uma grandeza termodinâmica de primeira ordem, que corresponde a uma mudança de estado. Sob o T f , também observamos uma mudança na inclinação de H (esta inclinação é muito mais fraca para um sólido do que para um líquido).

Mas se, durante o resfriamento do líquido, a viscosidade for muito alta ou o resfriamento for muito rápido, a cristalização não tem tempo para ocorrer e um líquido super - resfriado é então obtido. Nenhuma descontinuidade de H é então observada em T f e sua inclinação permanece inalterada. Conforme o resfriamento continua, a viscosidade do líquido aumenta exponencialmente e o líquido super-resfriado se torna quase sólido. Quando atinge 10 13  poises , a rigidez impede movimentos microscópicos locais e uma mudança na inclinação da entalpia é observada: não há variação na magnitude termodinâmica de primeira ordem, mas uma mudança na magnitude termodinâmica de segunda ordem como o coeficiente de expansão, ou a capacidade de calor (que são observadas por dilatometria e calorimetria diferencial de varredura, respectivamente). A temperatura na qual essa mudança ocorre é chamada de temperatura de transição vítrea , T v . A transição vítrea é, portanto, chamada de “transição termodinâmica de segunda ordem” (em oposição à fusão, que é uma transição de primeira ordem). A transição vítrea resulta de uma perda de mobilidade atômica à medida que esfria. Não é intrínseco e, portanto, depende da taxa de resfriamento: aumenta se a velocidade de têmpera aumentar. Para uma temperatura inferior a T v , o material é um sólido com a desordem estrutural de um líquido  : é um vidro. A desordem e, portanto , a entropia , são maiores em um vidro do que em um cristal . Sob T v , a entropia (entalpia ou volume) varia da mesma forma para o vidro e para o cristal. Mas, em teoria, se o vidro fosse resfriado suficientemente devagar, com o T v caindo, por extrapolação da variação da entropia do líquido super-resfriado, poderíamos obter um vidro de entropia mais fraco que o cristal equivalente: é o que se chama de paradoxo de Kauzmann . A alternativa para este paradoxo permanece debatida.

A passagem contínua do estado líquido para o estado vítreo ocorre dentro de uma faixa de temperatura delimitada pela temperatura de fusão ( T f ) e a temperatura de transição vítrea ( T v ). A zona de transição vítrea emoldura T v . Abaixo de T v , o vidro fica "fora de equilíbrio": afasta-se de seu equilíbrio termodinâmico, pois as mobilidades atômicas não são mais suficientes (aumenta a viscosidade) para que o equilíbrio seja alcançado (portanto, afasta-se de d quanto maior o equilíbrio quanto maior a taxa de resfriamento). Fora do equilíbrio, o vidro é considerado a isoestrutural de um líquido de temperatura mais alta (isso é chamado de temperatura fictícia). O tempo de relaxamento necessário para atingir o equilíbrio da configuração (equilíbrio termodinâmico) é então maior que o tempo de experiência. Assim, o vidro é um material metaestável , evoluindo inevitavelmente para um estado de equilíbrio (até que sua temperatura fictícia se iguale à sua temperatura efetiva).

Viscosidade

Uma das características essenciais dos vidros é a possibilidade de moldá-los por sopro ou fibra . Isso decorre do fato de que ao aquecer o vidro, sua viscosidade será continuamente reduzida, enquanto para um sólido cristalino, uma forte variação na viscosidade é observada no momento da fusão. O gelo tem uma viscosidade à temperatura ligeiramente negativa, da ordem de 10 14  Pas (cálculo a partir das bandas Forbes do Mar de Gelo ), enquanto a viscosidade da água líquida está na faixa de 10 - 3  Pa s . A água é, portanto, 100 milhões de bilhões de vezes mais fluida do que o gelo, e não há forma de gelo com tal viscosidade que possa ser soprada como vidro (não há gelo em viscosidade intermediária entre 10 14 e 10-3  Pa s à pressão ambiente ) O mesmo vale para o aço e qualquer metal comum. Quando o aquecimento de uma viscosidade do vidro diminui continuamente, tipicamente 10 45-50 Pa s , para um vidro de janela, à temperatura ambiente, a 1-10  Pa s a de 1500 - 1550  ° C . Não há mudança repentina na viscosidade porque o vidro não tem uma transição termodinâmica de primeira ordem (temperatura de fusão). Podemos, portanto, encontrar uma boa temperatura para um vidro, se ele não cristalizar, onde ele tenha a viscosidade exata para soprar, prender, moldar, esticar, derramar ou modelar de qualquer outra forma.

Certas viscosidades são importantes do ponto de vista industrial e científico para a produção de vidro. Ao aquecer gradualmente o vidro, que passa através de viscosidades , :

  • 10 13,5 Pa s. ponto mínimo de recozimento (às vezes "ponto de deformação" -ponto de deformação-). Você não pode recozer um vidro a uma temperatura mais baixa do que aquela onde ele tem essa viscosidade. Seria muito longo para um processo industrial, o vidro relaxando muito lentamente suas restrições.
  • 10 12  Pa s . Para um grande número de vidros de óxido, esta viscosidade corresponde a uma temperatura próxima à transição vítrea medida por calorimetria diferencial de varredura a 10 K / min.
  • 10 10  Pa s . Ponto de amolecimento dilatométrico: Na dilatometria, a temperatura correspondente é medida pelo máximo "virtual" de expansão. A amostra começa a se contrair sob o peso do suporte de medição do dilatômetro (embora continue a se expandir, mas isso não compensa). A partir daí o vidro passará a ser maleável (para ter a ordem de grandeza dessa viscosidade, devemos imaginar que se o gelo tivesse essa viscosidade, o Mer de Glace fluiria mais de cem metros por hora).
  • 10 6,6 Pa s. Littleton Point. um copo centímetro começa a "desmoronar", em uma escala de tempo de alguns minutos (para medição, é padronizado: ASTM C338, ISO 7884-3), sob seu próprio peso. Este ponto define a temperatura abaixo da qual não é mais possível imaginar um processo industrial para moldar o vidro por fluxo.
  • 10 4  Pa s . Ponto de fluidez. Em vez disso, é usado para definir o "comprimento" da lente, que será discutido a seguir. Nessa viscosidade, torna-se muito complicado gerenciar o fluxo do vidro se ele for submetido apenas ao seu próprio peso.
  • 10 3  Pa s . Ponto de trabalho, dependendo do processo. Esta é a temperatura em que um determinado processo pode ser usado. 10 3  Pa s é a viscosidade correta para sopro. O ponto de fluidez, em si, só tem interesse se for comparado ao ponto de trabalho.
  • 10 1  Pa s . Ponto de fusão. Viscosidade onde o líquido a partir do qual o vidro será produzido pode ser homogeneizado e refinado.

O "comprimento" de um vidro é definido pela diferença de temperatura entre seu ponto de fluidez e seu ponto de trabalho. Um vidro "longo" é um vidro que um soprador de vidro pode trabalhar por muito tempo ao ar livre antes que sua viscosidade se torne muito grande (desde que esfrie). Um vidro "curto" é um vidro que só pode funcionar por um curto período de tempo.

Um líquido que é ignorado?

O vidro é frequentemente descrito como um líquido extraordinariamente viscoso e seu caráter como sólido é frequentemente debatido. O vidro às vezes é descrito como um líquido que é ignorado, pois teria a propriedade de fluir à temperatura ambiente. Lembremos, em primeiro lugar, que esta propriedade não é específica do vidro: o gelo, por exemplo, embora seja um sólido cristalino, flui na escala dos tempos humanos com uma viscosidade a −13  ° C pouco maior que a dos vidros em seu T v. . Lembremos então que o caráter sólido, em reologia , é definido apenas em relação ao tempo de observação. O tempo de relaxamento mecânico de um corpo é definido, no sentido de Maxwell, como a razão entre sua viscosidade e seu módulo de elasticidade em cisalhamento . É da ordem de magnitude do inverso da frequência dos movimentos atômicos associados ao fluxo. O número de Deborah é definido como a relação entre o tempo de relaxamento e o tempo de observação. Diz-se que um corpo é sólido se esse número for muito maior do que 1; caso contrário, líquido.

A maioria dos vidros de silicato possui tempos de relaxamento ambiente que ultrapassam a idade do Universo , portanto, os números de Deborah são muito maiores que 1, mesmo considerando um tempo de observação da ordem das idades da humanidade. Eles são sólidos no sentido reológico . Assim, segundo Daniel Bonn, do Laboratório de Física Estatística da ENS, se os vitrais das catedrais ou os espelhos da Sala dos Espelhos do Palácio de Versalhes são mais grossos na base do que no topo, é fato do processo de fabricação utilizado, sendo a parte mais espessa fixada por razões de estabilidade. Por outro lado, alguns vidros, inclusive os de calcogeneto , apresentam T v relativamente baixo, próximo ao ambiente. É o caso do selênio amorfo, ou selênio negro ( T v = 42  ° C ), que possui um tempo de relaxação à temperatura ambiente da ordem de 15.000  s (3,7  h ). O fluxo de selênio amorfo é, portanto, facilmente observado à temperatura ambiente, embora esteja abaixo de seu T v .

No entanto, embora a ideia de "líquidos congelados" seja a primeira coisa comparada à palavra vidro, é apenas uma pequena parte do que essa palavra denota do ponto de vista da física material. Esta imagem vem do fato de que o método mais comum para se obter um vidro é derreter o material e, em seguida, resfriá-lo rapidamente e evitar a cristalização, conforme indicado acima no parágrafo Componentes principais . Existem outros métodos de amorfização como moagem mecânica , concentração sem cristalização (condensação de um vapor em uma superfície fria ou concentração de um soluto em solução), liofilização ou mesmo atomização . Em francês, a palavra "vidro" às vezes é usada apenas para sólidos amorfos resultantes da têmpera do líquido. Um vidro é, na realidade e do ponto de vista físico material, um material sólido amorfo que apresenta o fenómeno da transição vítrea , qualquer que seja o método de obtenção do vidro utilizado. Em inglês, em particular, essa distinção não existe.

Existem diferenças estruturais entre líquido e amorfo para alguns materiais. A glicose possui duas formas anoméricas , α e β. Na espectroscopia Raman , existe uma zona denominada “anomérica”, que permite diferenciar essas duas formas. Os espectros Raman dos vidros de β-glicose obtidos pela extinção do líquido e por criomagrecimento mecânico mostrados ao lado são diferentes, com a presença de bandas de vibração adicionais no líquido extinto devido à mutação da glicose presente na glicose líquida. Isso demonstra que, estruturalmente, um vidro resultante da têmpera de um líquido e um vidro resultante de uma trituração mecânica podem ser diferentes.

A imagem do “líquido congelado” é, portanto, um caso especial do sólido amorfo. O consenso atual para a definição de vidro é “sólido não cristalino”.

Transparência

Alguns vidros são transparentes na faixa visível, este é particularmente o caso da maioria dos vidros de silicato, e esta é uma das propriedades mais exploradas dos vidros. Outros são transparentes em outras faixas de comprimento de onda, como vidros de calcogeneto . O vidro da janela comum é transparente de UV a infravermelho médio, não transmite UV-B e UV-C. Assim, pode-se bronzear atrás de uma janela, já que o UV-A é transmitido, mas é muito difícil pegar queimaduras solares. Vidros que são transparentes são sempre transparentes apenas em uma certa faixa de comprimentos de onda, limitados a comprimentos de onda baixos pela energia do bandgap e a comprimentos de onda altos pelo corte multifonônico .

Os vidros de silicato, por causa do silício, apresentam uma grande lacuna entre a banda de valência e a banda de condução ( 9  eV para sílica vítrea, de 1 a 3  eV para vidros calcogenetos). Para que um fóton seja absorvido pelo vidro, ele deve ter energia suficiente para excitar elétrons de valência para a banda de condução. Se o fóton tiver uma energia muito baixa (um comprimento de onda muito longo) para permitir que um elétron atravesse a lacuna de banda, ele é transmitido e o vidro é transparente para a energia do fóton.

Devido à desordem que caracteriza um vidro, as bandas de valência e condução estendem-se para a banda proibida (formam o que se chama de caudas de bandas) e reduzem a energia que separa a banda de valência e a banda de condução. O limite de absorção óptica (limite inferior, em comprimento de onda, onde o vidro começa a transmitir) não é, portanto, abrupto (não há um limite preciso de energia de fóton para o qual começa a transparência), mas progressivo, uma pequena fração dos fótons pode ser absorvida mesmo em energias muito mais baixas do que a energia bandgap. Esta zona de baixa absorção corresponde à “cauda de Urbach”.

Com a vibração da rede atômica, também associamos uma quase-partícula chamada “  fônon  ”. Fônons interagem com fótons de várias maneiras (veja espalhamento Raman e espalhamento Brillouin ). Os fônons podem interagir uns com os outros e gerar um momento elétrico que afetará a radiação eletromagnética: isso é chamado de absorção multifonônica. Em comprimentos de onda elevados (energias baixas), os vidros, portanto, não transmitem mais devido às interações fóton-fônon. Em vidros de silicato, a vibração de alongamento da ligação Si-O corresponde a um comprimento de onda de 8,9  μm e, portanto, o vidro absorve muito neste comprimento de onda. Tanto que o primeiro harmônico (frequência dupla, portanto, duas vezes mais comprimento de onda fraco: 4,5  μm ) já produz uma absorção muito forte.

A frequência de vibração de uma rede atômica e, portanto, a energia do fônon, é inversamente proporcional à massa dos átomos. Os elementos calcogênicos sendo relativamente pesados, eles empurram para trás o limite de transparência em comprimentos de onda mais longos (energias mais baixas) do que os vidros de silicato. Os vidros de calcogeneto são, portanto, mais transparentes no infravermelho do que os vidros de silicato.

Cada tipo de impureza no vidro irá induzir uma ou mais bandas de absorção perturbando sua transparência; para o vidro da janela, o ferro (seus óxidos) é a impureza que gera a tonalidade verde-azulada que pode ser detectada olhando para uma janela na borda. Os vidros de sílica que contêm muitas impurezas, como o vidro REFIOM , não são transparentes, mas pretos.

Vidros metálicos (ligas metálicas amorfas) possuem elétrons livres, são condutores e, portanto, não possuem bandgap. Como resultado, eles não são transparentes.

Resistência química e alteração do vidro

O vidro industrial tem boa compatibilidade com a maioria dos compostos químicos; entretanto, o ácido fluorídrico (HF) degrada o vidro facilmente.

Os óculos não são insensíveis à ação da água ou do ar . A água afeta a maioria das propriedades do vidro, como sua viscosidade. Um dos efeitos conhecidos da água no vidro é a “propagação subcrítica”: por reação de hidrólise, as fissuras propagam-se progressivamente nos vidros sob tensão, podendo isto levar à sua ruptura a mais ou menos longo prazo. É claro que isso não impede a existência de vidros com vários milhões de anos e não alterados, porque a sensibilidade dos vidros à alteração depende de sua composição química.

Resistência mecânica: fragilidade

O vidro, no senso comum, parece ser um material frágil . Os vidros de silicato, como a maioria dos vidros de óxido ou calcogeneto, são efetivamente frágeis à temperatura ambiente no sentido de que podem ser quebrados sem qualquer deformação permanente (ao contrário de um material dúctil , como o chumbo, que pode ser deformado, dobrado antes de quebrá-lo). No entanto, é possível deformar um vidro permanentemente, sob alta pressão: isso é chamado de “densificação”. A sílica vítrea pode, portanto, ver seu volume reduzido em quase 25%. A natureza frágil dos vidros e, portanto, a ausência de um mecanismo de deformação plástica à temperatura e pressão ambiente, deve-se às suas fortes ligações atômicas (principalmente covalentes ou iônicas). Em geral, seria de se esperar que um material com altas energias de ligação fosse muito forte mecanicamente, uma vez que seria necessária uma grande quantidade de energia mecânica para quebrar suas ligações (o diamante é o material típico que suportaria essa ligação). Ideia). Agora sabemos que o menor arranhão superficial nesses materiais pode ser o iniciador de uma trinca e, em seguida, de uma ruptura ( quebra ), por um fenômeno de concentração de tensões. Como é quase inevitável que um material duro como o vidro apresente defeitos angulares na superfície, o que conta para caracterizar sua resistência mecânica não é sua energia de ligações atômicas, mas sua tenacidade , ou seja, a resistência à propagação desses defeitos. A tenacidade do vidro de óxido é relativamente baixo (0,5- 1,0  MPa . √ m ), ou quase cem vezes menor do que o metal de corrente. A tenacidade dos vidros silico-soda-cal pode, entretanto, ser consideravelmente aumentada por endurecimento térmico ou químico . A maioria das telas de smartphones e tablets hoje são vidros finos quimicamente endurecidos.

Estilhaçamento espontâneo do vidro

Existem muitos testemunhos de pessoas que observaram recipientes de vidro que "explodem por si próprios" sem serem tocados. Não há nada de paranormal neste fenômeno. Para que um vidro se quebre, basta que ele apresente uma trinca e que uma tensão de tração faça com que a trinca se propague (esta é a base da definição de tenacidade ). Se a tensão for muito baixa, a rachadura não se move. No entanto, os vidros de silicato são sensíveis à água, e uma reação de hidrólise pode avançar a trinca quando ela sofre uma tensão de tração abaixo desse limite: isso é chamado de propagação subcrítica. A rachadura pode então avançar muito lentamente, nanômetro a nanômetro, sob o simples efeito da umidade do ar. O estresse pode vir de um recozimento deficiente do vidro. Assim que a rachadura atinge um tamanho crítico ou entra em uma área de alta tensão, a parte de vidro estoura. Dependendo da umidade, temperatura, histórico térmico do vidro e do tamanho inicial da rachadura, o processo pode levar anos.

Em vidro temperado termicamente , o fenômeno pode, em princípio, ser evitado. No entanto, o envidraçamento pode estar sujeito à poluição de sulfeto de níquel (NiS), proveniente das matérias-primas (calcita, dolomita). Na temperatura de aquecimento do tratamento térmico, o NiS muda de fase (α, estável de 379 ° C) e contrai (de 2 a 4%), e durante a têmpera, não tem tempo para retornar à sua fase estável (β) à temperatura ambiente e permanecer na fase α. Porém, como esta fase é metaestável, ela retorna gradativamente à forma β, ampliando-se novamente (o que pode levar muito tempo), gerando enormes tensões no vidro e sua "explosão espontânea" muito tempo depois de instalado o envidraçamento.

Impactos de projéteis

O vidro, dependendo de sua espessura, composição e método de produção, é mais ou menos resistente a choques, quedas e impactos.

Foi demonstrado que, para uma determinada lente, o número de rachaduras em forma de estrela contadas em torno de um ponto de impacto (de uma bala, por exemplo) reflete a velocidade relativa do projétil contra o vidro no momento do impacto. Em caso de acidente ou uso de arma de fogo atingindo o vidro, torna-se então possível obter informações sobre a velocidade do projétil (e, portanto, sobre a distância até o atirador se conhecermos o tipo de arma e de munições utilizadas); de acordo com testes realizados em projéteis lançados a uma velocidade cada vez mais elevada até 432  km / h , quanto maior a quantidade de energia cinética, maior o número de fissuras, com uma equação simples ligando essas duas configurações. Por outro lado, agora também podemos deduzir a velocidade de um veículo no momento de um acidente, observando as rachaduras em um farol ou pára-brisa perfurado durante o acidente.

Além disso, de acordo com medições feitas por amadores , a velocidade de propagação das fissuras dentro de um vidro temperado de 5  mm de espessura é de aproximadamente 1.458  m / s .

Cálculo de propriedades

Valores representativos

Os valores a seguir destinam-se apenas a fornecer uma ordem de magnitude, uma vez que existem diversas variedades de vidro, desde pedras pesadas (carregadas com chumbo; densidade variando de 2.500 a 5.900  kg / m 3 ) até vidro de janela padrão (2.500 kg / m 3 ) através de coroas (de 2.200 a 3.800  kg / m 3 ),  etc.

Propriedades físicas médias do vidro de sódio
Propriedade física Valor Unidade
Massa volumica 2.500 kg / m 3
Módulo de Young 69.000 MPa
Coeficiente de Poisson 0,25
Limite de elasticidade 3.600 MPa
Resiliência de 1.500 a 2.500 Pa
Coeficiente de expansão linear de 0,5 a 15 × 10 -6 / ° C
Condutividade térmica 1 W m −1  K −1
Cálculo combinando as propriedades de diferentes fases

As propriedades do vidro podem ser calculadas por análise estatística de bancos de dados de vidro, por exemplo, SciGlass e Interglad. Se a propriedade desejada do vidro não estiver relacionada à cristalização (por exemplo, temperatura de liquidus ) ou separação de fases, a regressão linear pode ser aplicada usando funções polinomiais comuns até o terceiro grau. Abaixo está um exemplo de equação de segundo grau. Os valores C são as concentrações dos componentes do vidro, como Na 2 Oou Porcentagem de CaO ou outras frações, os valores b são coeficientes e n é o número total de componentes de vidro. O principal componente do vidro, dióxido de silício SiO 2, é excluído na equação abaixo devido à sobre-parametrização, devido à restrição de que todos os componentes somam 100%. Muitos dos termos na equação abaixo podem ser negligenciados por meio da análise de correlação e significância.

Propriedade de vidro =

Predição por aprendizado profundo (" aprendizado profundo ")

Sendo as propriedades de um vidro bastante difíceis de prever, nomeadamente pela dificuldade em criar modelos universais para cada propriedade, as soluções actuais para prever as propriedades dos vidros e permitir o desenvolvimento de novos vidros com propriedades específicas, são orientadas, desde pouco, para uma aprendizagem profunda . Esquematicamente, o princípio consiste em treinar uma rede neural por aprendizado de máquina (isto é inteligência artificial ) para determinar as propriedades de muitos vidros (normalmente 100.000) já conhecidos, de modo que seja, posteriormente, capaz de prever por extrapolação as propriedades dos óculos nunca antes desenvolvido. Esse método permite libertar-se de qualquer modelo físico que décadas de pesquisa científica ainda não conseguiram estabelecer.

Vidro natural

O vidro natural é qualquer tipo de vidro formado naturalmente. Existem duas famílias principais: vidro biológico e vidro geológico.

Vidro orgânico

As espécies que mais produzem vidro na Terra não são os humanos, mas sim a família das diatomáceas . Na verdade, essas algas unicelulares são protegidas por uma concha de vidro com formas surpreendentes e delicadas. Constituindo o plâncton , este vidro tem uma densidade considerável e muito superior ao vidro produzido na indústria. Desde 2008, os cientistas começaram a identificar os detalhes da síntese  : ela parte dos silicatos presentes na água do mar e estão começando a saber como reproduzir reações semelhantes em laboratório. Esta fabricação ocorre em condições físicas químicas suaves , ou seja, não requer alta temperatura e pressão .

A principal vantagem do vidro para a diatomácea é que ele não obstrui a fotossíntese , permitindo a passagem da luz. É sintetizado muito rapidamente no momento da meiose .

Vidro geológico

Muitas rochas de silicato, se resfriadas com rapidez suficiente, tendem a vitrificar. Observamos este fenômeno em particular, na Terra, perto de vulcões, onde podemos, por exemplo, observar a formação de obsidiana , pedra-pomes (de composição geralmente próxima à obsidiana), taquilito , palagonita .

Os fulguritos são outro exemplo de vidro natural produzido por queda de raio (geralmente areia). O impactito é formado pelo impacto de um meteorito. Sua forma mais conhecida é o vidro líbico. A Lua também tem rochas vitrificadas por impactos de meteoritos em sua superfície. Em seguida, falamos de vidro lunar.

Ao contrário dos impactitos encontrados dentro da cratera, os tektitos são ejetados no momento do impacto da cratera em distâncias de até 2.000  km . Com o impacto, a banca e rocha de impacto são derretidos porque a temperatura tipicamente superior a 1600  ° C . Como a atmosfera foi soprada pelo projétil do meteorito no impacto, os elementos de transição, como o ferro, estão presentes principalmente na forma reduzida. O material ejetado fundido composto de uma mistura de invólucro e impactador faz uma trajetória balística a vários km / se está sujeito a baixas pressões. Durante sua jornada pela atmosfera, o líquido de silicato sofre uma extinção extremamente rápida. Tektites são caracterizados por várias morfologias e às vezes surpreendentes (esfera, barra, gota, pêra, rasgo,  etc. ) de acordo com sua história térmica, sua velocidade de rotação e sua erosão após a precipitação radioativa.

Os cometas também seriam feitos de "copo d'água" ou gelo amorfo .

Vidro bioativo

Vidros bioativos, ou biovidros, são materiais usados ​​em cirurgias reconstrutivas como substitutos ósseos.

Outros copos

Por extrapolação, o nome vidro é usado para outros materiais amorfos.

Por exemplo, misturas à base de zircônio , bário , lantânio e fluoretos de alumínio produzem vidros fluorados que são mais transparentes no ultravioleta e próximo ao infravermelho do que o vidro de sílica. Portanto, eles são usados ​​para fabricar instrumentos ópticos para essa radiação.

Muitas lentes de óculos são feitas com lentes orgânicas que são polímeros à base de carbono, como policarbonato de bisfenol A ou policarbonato de alila.

Algumas ligas metálicas podem ser solidificadas com uma estrutura amorfa por resfriamento muito rápido, são então chamadas de vidros metálicos . Por exemplo, o metal fundido pode ser projetado em um tambor de cobre girando em alta velocidade. Essas ligas são usadas, por exemplo, para núcleos de transformadores . Na verdade, seu ciclo de histerese é muito baixo, o que reduz consideravelmente as perdas.

Depósitos de ligas metálicas amorfas (Al-Cu-Fe) podem ser obtidos por deposição a vácuo .

Produção

Além de filmes finos, depositados por vários métodos, o processo de síntese do vidro é muitas vezes o seguinte: fusão, têmpera e recozimento (o método de “têmpera por fusão” , em inglês).

Fusão

No que diz respeito aos vidros de cal sodada, os elementos necessários à síntese do vidro, geralmente óxidos (sílica) e carbonatos (carbonatos de cálcio, carbonatos de sódio), são misturados e posteriormente fundidos. Vidro padrão de vidro é utilizada areia branca, soda, cal e vidro quebrado (a sucata de vidro ) que transporta a 1550  ° C . O vidro é então freqüentemente refinado, especialmente para grandes volumes: ele é liberado de suas bolhas mantendo-o em alta temperatura. A viscosidade relativamente baixa promove então o surgimento de bolhas na superfície. Também é possível passar por um processo de homogeneização, por exemplo, misturando o líquido, se os movimentos de convecção dentro do líquido não forem suficientes.

Endurecimento

Se a mistura fundida for resfriada suavemente, ela tenderá a cristalizar, pois o cristal é a forma sólida mais estável termodinamicamente. Para evitar a cristalização e obter uma estrutura amorfa, portanto um vidro, o líquido deve ser resfriado violentamente: falamos em têmpera, embora para os vidros raramente se trate de mergulhar a mistura fundida em água. Os vidros de silicato são frequentemente embebidos no ar (trazidos abruptamente do forno de fusão para o ar ambiente ou para outro forno a uma temperatura mais baixa). Os vidros metálicos requerem temperamentos mais violentos, uma vez que o resfriamento deve às vezes atingir vários milhares de graus Kelvin por segundo. Os vidros de calcogeneto , o derretimento é feito em uma ampola de sílica, são freqüentemente extintos por imersão do frasco em água ou gelo.

anelamento

O temperamento induz um resfriamento mais rápido da superfície do vidro (em contato com o ar) do que do núcleo. A superfície esfria, se contrai e se solidifica. Este fenômeno gera tensões no vidro. Este fenômeno é bem conhecido durante os choques térmicos  : se você tirar um prato de vidro retirado do forno a 200 ° C e colocá-lo na pia, sob um jato de água fria, ele quebra porque a superfície quer se contrair ao entrar em contato com água fria, mas o coração, quente, impede. A superfície é, portanto, submetida a uma tensão repentina, o que resulta em ruptura. Ao resfriar após o derretimento, a superfície se contrai, mas não o núcleo. Mas o coração, muito quente, tem uma viscosidade baixa o suficiente para acomodar a contração. O vidro, portanto, não quebra, mas permanece fortemente contraído. Se não forem tratadas, essas tensões podem levar à quebra do vidro a longo prazo. Um recozimento é, portanto, realizado a uma temperatura próxima à temperatura de transição vítrea, de modo que a viscosidade do vidro seja baixa o suficiente para que as tensões relaxem em uma a algumas horas, dependendo da natureza e do volume do vidro.

Se o objeto de vidro estiver em uma forma fina, o recozimento não é essencial, porque o gradiente térmico entre a superfície e o núcleo permanece baixo: as fibras ópticas ou a lã de vidro não são recozidas.

Se um vidro estiver mal recozido, as tensões internas podem ser observadas em luz polarizada por fotoelasticimetria . Este experimento pode ser feito por qualquer pessoa: uma tela de computador fornece a luz polarizada, colocamos o objeto de vidro na frente e olhamos para ele com óculos de sol polarizados: se aparece um "arco-íris" no vidro, ele está mal recozido.

Formatação

O vidro pode ser moldado usando diferentes métodos que podem ser classificados em contínuos e descontínuos:

Aula Processar Definição Exemplos
Interrompido Sopro Vidro oco
Fundição em um molde O vidro fundido é derramado em um molde com a forma do objeto a ser fabricado. Vidro oco
Pressionando O vidro fundido é comprimido em um molde com a forma do objeto a ser fabricado. Tubo de raios catódicos , vidro oco
Fundição centrífuga Vidro oco
Contínuo Laminação O vidro fundido é passado entre dois rolos de laminação. Vidro plano (processo pouco usado)
Desenho Vidro plano (processo pouco utilizado), tubo luminescente , fibra de vidro
Flutuando O vidro derretido é despejado em um banho de estanho líquido e se espalha, formando uma fita contínua. Vidro plano
Lançamento na mesa O vidro derretido é derramado sobre uma mesa e enrolado. Vidro plano (processo pouco usado)
Extrusão

usar

O vidro à base de sílica tem sido usado principalmente em óptica por suas propriedades refrativas ( lentes , lentes de óculos ) desde a Idade Média.

Os vidros de óxido são conhecidos por sua aplicação em ótica visível e infravermelho próximo (lentes, prismas, espelhos desde a Idade Média; fibra ótica moderna para telecomunicações).

A transparência dos vidros de silicato os torna um elemento importante no desenvolvimento da energia solar moderna. Vidros de calcogeneto estão sendo desenvolvidos para aplicações ópticas infravermelhas, incluindo visão noturna, espectroscopia infravermelha de onda evanescente, holografia e aplicações optoeletrônicas, etc.

É também utilizado na química e na indústria alimentar  : reage muito pouco com a maioria dos compostos utilizados nestes campos, sendo portanto um material ideal para recipientes ( garrafas , potes de iogurte , béqueres , frascos de Erlenmeyer , colunas de peças de destilação , tubos de ensaio ). Um dos únicos líquidos com o poder de dissolver o vidro com eficácia é o ácido fluorídrico (HF).

O vidro é o material no qual os resíduos radioativos de alto nível ( HAVL ) são confinados pelo processo de vitrificação. Por ser desordenado, o vidro realmente resiste bem à radiação a longo prazo, ao contrário dos metais, cuja estrutura tende a ser amorfa e, portanto, a perder suas propriedades mecânicas sob irradiação. Além disso, o vidro envelhece muito bem à escala geológica, mesmo na presença de água.

O vidro também é um material de construção muito importante na arquitetura . Fora do vidro float de vidro de costume desde meados XX th  século, tijolo de vidro usado por cem anos faz paredes translúcidas horizontais e verticais; ele se origina da placa de vidro quadrada antiga. A pasta de vidro substituiu os elementos cerâmicos resultantes do mosaico das fachadas na arquitetura moderna, na impermeabilização de piscinas; em 2019, banheiros “refinados” estão trazendo esse material de volta à moda. O vidro está agora presente principalmente na forma de lã de vidro, um isolante leve, resistente ao apodrecimento e não inflamável.

As fibras de vidro à base de sílica desempenham um papel importante nas estruturas atuais por meio de guias ópticos que transportam informações dos diversos sensores, permitindo o monitoramento contínuo das estruturas.

O vidro também é um material muito importante na indústria automotiva de hoje .

Os vidros de calcogeneto também são amplamente usados ​​em DVDs, onde são portadores de informações. O vidro também está presente em itens de alta tecnologia do dia a dia: discos rígidos , telas sensíveis ao toque, vidros com autolimpeza e fabricantes de vidros estão considerando várias aplicações futuras.

Alguns aços podem ser solidificados na forma amorfa, "vidro metálico". Os vidros metálicos também foram introduzidos em artigos esportivos (raquetes de neve, esquis, morcegos).

Devido à sua isotropia, esses aços apresentam propriedades não magnéticas interessantes, especialmente para a construção de submarinos stealth . Eles também têm grande dureza e resistência à corrosão muito boa.

Em muitas aplicações, o vidro está sendo substituído por materiais plásticos , que são mais leves e geralmente mais resistentes ao impacto .

Pode-se encontrar sob a forma de micro-esferas, fibras (corte ou não), esteiras (fibras disposta “a granel”) ou tecidos ( “  tafetá  ” método de tecelagem , por exemplo). Incorporadas na matriz polimérica ou depositadas na superfície, essas apresentações são utilizadas principalmente como reforço (fibroso ou não) de resinas termoplásticas ( poliamidas ) ou termoendurecíveis ( poliésteres , epóxis ) em plásticos, bem como em materiais compósitos .

Os usos artísticos do vidro são incontáveis ​​há séculos. Na arte contemporânea encontramos gelo partido e recozido e vestidos luminosos de alta costura. Eles acompanharam ou exigiram muitas inovações técnicas (vitrais medievais sem sódio, pasta de vidro, fusão, termoformação,  etc. ).

Tipos de vidro industrial

O vidro pode sofrer modificações para fortalecê-lo e fixá-lo:

  • Vidro temperado  :
    • Têmpera por calor: os tratamentos térmicos melhoram a resistência das peças: os vidros laterais e traseiros dos automóveis, como certos móveis, são temperados por resfriamento rápido e controlado, na maioria das vezes ao ar.
    • Endurecimento químico: este tipo de endurecimento ocorre pela substituição, por difusão, de parte dos íons alcalinos por outros íons alcalinos de maior raio iônico. Por exemplo, sódio ou lítio em vidro por íons de potássio.
  • Vidro laminado  : composto de camadas de vidro-plástico-vidro ou mais. Os pára-brisas dos automóveis e as janelas blindadas são de vidro laminado. Assim, durante um impacto, o pára-brisa quebra, mas permanece no lugar. Os passageiros são menos propensos a se ferir por quebras. O vidro blindado com oito camadas de plástico pode suportar 70 machados antes de ser cruzado.

O vidro também pode ser submetido a tratamentos de superfície , na maioria das vezes depósitos:

Técnicas de artesanato de vidro

O vidro é uma escala de atividade .

  • Trabalho de vidro com chama de " maçarico "   : os vidreiros trabalham a partir de tubos e varetas de vidro estirado que amolecem com a chama de um maçarico para transformá-lo por sopro ou por diferentes ferramentas. Na França, o trabalho de vidro soprado, na chama, para a realização de objetos decorativos ou utilitários, ou peças únicas é praticado por diversos artesãos.
  • Vidro soprado  : os sopradores de vidro aquecem uma bola de vidro derretida retirada da ponta de uma bengala na qual sopram para inflar o vidro e fazer uma bola vazia. Então, eles esticam, achatam, perfuram essa bola para dar-lhe sua forma final. Depois de endurecido, algumas pessoas o tornam mais áspero para fazer padrões.
  • Vidro curvo  : deformado à temperatura de amolecimento (cerca de 600  ° C ) na curvatura de um molde, este processo de curvatura pode ser combinado com têmpera , laminação, de forma artesanal (bombardeiro de vidro para fazer lâmpadas de rua, vitrines). Talheres, relógio globos) ou industriais (pára-brisas e vidros automotivos, espelhos ópticos).

Desde a Antiguidade , os pintores adotaram a lâmina de vidro como suporte para a pintura; entre outras, a pintura em vidro reverso (ou pintura sob vidro ou pintura sobre vidro ) é uma técnica artística difícil que é realizada diretamente sobre uma folha de vidro. O vidro suporta a pintura como uma tela. Soldado ao vidro, é através deste suporte que contemplamos a obra. Assim, o vidro serve tanto como suporte quanto como verniz de proteção. Observe que esta é uma técnica de pintura a frio , de modo que o processo não requer cozimento. O pigmento é ligado ao vidro por um veículo oleoso, geralmente à base de verniz. Uma grande parte das cores usadas antes do nosso tempo está atualmente proibida para uso (saúde dos vidreiros).

Terminologia

  • Cristal  : vidro com alto teor de chumbo que lhe confere um brilho mais intenso e é trabalhado de forma semelhante ao vidro. Para merecer a designação de cristal, a concentração de óxido de chumbo deve estar entre 24 e 56% .
  • Pasta de vidro  : o molde da peça a ser produzida é feito de um material refratário (à base de caulim, por exemplo) utilizando várias técnicas incluindo cera perdida. Após a cozedura, de acordo com os níveis de aquecimento destinados a evitar fissuras, o molde é arrefecido e preenchido com pós ou grânulos de vidro colorido de acordo com a decoração desejada. Uma nova queima ocorre e, após o resfriamento, o molde é destruído delicadamente por um meio químico ou mecânico para liberar a peça cuja forma e cores terão sido perfeitamente controladas. Esta técnica, atribuída aos egípcios, foi reinventado quase simultaneamente por Henry Cros , Francois Décorchemont e Georges Despret, na segunda parte do XIX th  século . Almaric Walter , Gabriel Argy-Rousseau se destacaram por lá.
  • Termoformação  : esta técnica consiste na colocação a frio de uma (ou mais) lâminas de vidro, eventualmente coloridas, sobre um refratário, cujo relevo se seguirá durante a queima.
  • Frita  : composição vítrea, que pode ser tingida (com óxidos metálicos), fundida e embebida em banho de água fria para reduzi-la a grânulos para o preparo de esmaltes ou "feixes" »(Barras) tingidas, básicas materiais para vidreiros.
  • Picking  : ação de levar ao forno uma massa de vidro utilizando uma bengala ou pontil .
  • Pontil  : tubo de metal maciço, o pontil permite modelar com "mármore" ou utilizando várias ferramentas. Também serve para separar o objeto da cana para furar e trabalhar a gola, para trazer de volta elementos decorativos, alças, um pé.

Reciclando

O vidro, se bem triado ( triagem seletiva ), pode ser reciclado indefinidamente sem perder suas qualidades. Em alguns países, como Alemanha, Bélgica, Suíça ou os países nórdicos, a classificação pode diferenciar entre o vidro branco, verde e marrom para uma reciclagem mais eficiente, e as garrafas retornáveis e reutilizadas são escolhidas com mais frequência pelos produtores e consumidores .

Vidros com granizo e triturado resultantes da coleta (sujos de poeira e outros resíduos) e da limpeza de vias urbanas e pisos impermeabilizados são, no entanto, recusados ​​pela vidraria. Outros usos são procurados para eles ou estão sendo testados para não ter que continuar a enviá-los para aterro ou incinerador). Pode ser utilizado como elemento decorativo (vidro colorido) em concreto .

No asfalto , por exemplo na Guiana Francesa , desde o final de 2006 , os resíduos de vidro (70 t recolhidos no final de 2006 com um primeiro local de teste em meados de 2007 no centro de Caiena) são utilizados como base da camada de estrada em forma de vidro triturado . São necessárias 4.600  t de vidro para 30  km de estrada. Este tipo de reutilização pode, no entanto, representar problemas perigosos (durante os canteiros de obras e talvez para a fauna de escavação ).

Revisão

Garrafas de vidro usadas podem ser derretidas . O material assim recuperado permite a fabricação de novas garrafas.

O vidro também pode ser produzido a partir do casco recuperado ( vidro triturado). A fabricação de vidro com casca recuperada economiza matéria-prima e energia .

Antes de ser refundido, o vidro passa por diversos tratamentos: trituração, lavagem, retirada de colas, rótulos, cápsulas, separação do vidro e dos metais e eliminação de resíduos (porcelanas, pedras,  etc. ).

Na França , a maior parte do vidro é recuperada na forma de vidro quebrado. O vidro recuperável é recolhido em todos os bares e cafés , bem como nas garrafas de cerveja à venda ao público na Alsácia . A agência de gerenciamento de meio ambiente e energia (Ademe) acredita que o benefício de depositar recipientes de vidro não é óbvio, dados os circuitos de abastecimento bastante longos na França.

Guarda-volumes

Com esse sistema, as garrafas são recuperadas inteiras, para uma compensação financeira, lavadas e posteriormente reaproveitadas.

Na Europa , o depósito de vidro recarregável é autorizado ao critério dos Estados-Membros, desde que não gere distorções da concorrência e no âmbito de uma política de protecção do ambiente.

A Alemanha e Bélgica favoreceu o set. O Canadá usa um sistema semelhante ao da Alemanha e padronizou o formato das garrafas de cerveja para facilitar a reutilização e o melhor custo-benefício por várias empresas.

Manutenção e restauração de vidro

O vidro pode cristalizar e tornar-se mais ou menos opaco ou até pulverulento .

Os vidros de escavação podem ficar iridescentes em contato com substâncias presentes no solo.

Depósitos ou alterações químicas podem modificar sua superfície.

Os copos geralmente suportam um sabonete leve. No entanto, tenha cuidado com a douração, pois é melhor não esfregar.

Em princípio, a corrosão do vidro está ligada à presença de íons H + em H 2 O.

As rachaduras não foram resolvidas e as colagens geralmente são visíveis devido a uma diferença no índice de refração . As colas de cianoacrilato e silicones às vezes dão resultados satisfatórios, mas as colas epóxi são preferidas por sua maior estabilidade, seu índice de refração próximo ao de certos vidros e sua baixa viscosidade. No passado, usávamos principalmente bálsamo do Canadá .

Economia

Notas e referências

Notas

  1. Quando dizemos que o vidro é transparente, estamos falando de luz visível , porque o vidro pode ser opaco em outros comprimentos de onda .
  2. A sílica da fórmula química SiO 2, é o principal constituinte da areia .
  3. Pode-se facilmente encontrar na literatura do XIX °  século, a definição de vidro, por exemplo, nesta conferência relatório: Henderson, CH (1887), Glass-fazer , Jornal do Instituto Franklin , 124 (3), 199- 224.
  4. Se aquecer a mistura estequiométrica soda-sílica, sem fluxo, portanto menos fusível, o operador obtém acima de 1000  ° C em forno a carvão o metassilicato de sódio , um material seco, solúvel em água denominado "  vidro de água  ", conhecido por seu antigo uso como dessecante, revestimento anti-fogo, pó protetor para ovos, detergente. A reação química é a seguinte: Na 2 CO 3 sólido + SiO 2 sólido - → Na 2 SiO 3 metassilicato anidro, sólido + CO 2gás .
  5. areia também é a terra em que nos movemos.
  6. Consulte Liga de metal amorfo , especialmente as seções “  História  ” e “ Métodos de têmpera ”  .
  7. Se uma primeira derivada da entalpia livre com relação à temperatura sofre uma variação repentina, esta é uma transição de primeira ordem, se uma segunda derivada da entalpia livre (coeficiente de expansão, capacidade térmica, compressibilidade) sofre uma mudança repentina, é uma transição de segunda ordem. Ver: Jo Perez, Noncrystalline Materials and the Science of Disorder , PPUR, 2001.
  8. Veja (in) o paradoxo de Kauzmann na Wikipedia.
  9. Edgar Dutra Zanotto, Do óculos catedral fluir? , American Journal of Physics , maio de 1998, vol.  66, n o  5, p.  392-395 . Segundo Zanotto, o tempo de relaxamento de um copo seria superior a 10 32  anos, o que corresponde a uma duração dez trilhões de bilhões de vezes maior que a idade do Universo.
  10. Consulte Viscosidade .
  11. Veja Gelo de alta densidade amorfo .
  12. reforços fibrosos são caracterizados pela sua gramagem (peso das fibras por metro quadrado).
  13. Por exemplo, a formação de tubos pela introdução de um gás raro chamado néon .
  14. Consulte Composição do cristal .

Referências

  1. lexicográfica e etimológicas definições de "vidro" de tesouraria língua francesa informatizado , no site do Centro Nacional de Prova e Lexical Resources
  2. Cnrtl , vidro, definição "casa de vidro [iguais] informação aberta e disponível" .
  3. "  Jerzy Zarzycki  " (acessado em 15 de março de 2018 ) .
  4. Jerzy Zarzycki, vidros e o estado vítreo , Masson,1982, 391  p. ( ISBN  978-2-225-69036-5 ).
  5. Cristalização em aplicação de vidros a vitro , Notícias Químicas .
  6. Treatise on Materials - Volume 1 - Introdução à Ciência dos Materiais , pPur de 1999 ( ISBN  2-88074-402-4 ) , p.  64  ; mais detalhes sobre as substâncias do lote p.  205-210 .
  7. Rossington, DR (1972), Surfaceochemical of Glass. Em Introduction to Glass Science , p.  513-543 , Springer US., P.  3
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  9. Barton, J. e Guillemet, C. (2005), Glass, science and technology , Editor: EDP Sciences.
  10. no vidro de sódio com "  natrium  ", a partir do Mediterrâneo oriental, eles foram reformuladas, reutilizados e se tornar rara após o período VI th  século, quando as rotas de comércio para quebrar. Sophie Lagabrielle, Stéphane Palaude, Yves-Marie Adrian e Emmanuel Laurentin, La Fabrique de l'Histoire, The glass revolutions , France Culture, 26 de junho de 2019.
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Veja também

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