STRUCTURE DES VERRES

Un verre est un solide hors équilibre obtenu après refroidissement rapide d’un liquide afin d’éviter la cristallisation. L’organisation structurale d’un verre dépend de son histoire thermique et de son histoire mécanique.

L’une des spécificités de l’équipe SOPRANO réside dans l’expertise de la structure des verres à plusieurs échelles (de la liaison atomique à plusieurs 100 nm) par des techniques d’analyse par spectroscopie vibrationnelle (diffusion Raman, diffusion Brillouin) et par absorption de rayons X, diffusion de rayons X aux petits angles (Synchrotron ESRF). Des simulations numériques par dynamique moléculaire sont effectuées en collaboration avec l’équipe MMCI du laboratoire. Des études multi-échelles permettant de déterminer les évolutions structurales et propriétés élastiques des verres sont effectuées in-situ ou ex-situ sous fortes sollicitations mécaniques (très hautes pressions, micro-indentation, compression uniaxiale) ou en température. Ces études fondamentales ont un intérêt à long terme dans les domaines du bâtiment, du vitrage, des smartphones,…

                         

                 Structure du verre SiO2                                             Spectre Raman du verre SiO

 

 Intervenants

  • Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.,  Ingénieure de Recherche CNRS et responsable de la thématique 
  • Valérie Martinez, Maître de Conférence
  • Bernard Champagnon, Professeur Emérite 
  • Gianpietro Cagnoli, Professeur
  • Antoine Cornet, Doctorant
  • Jérémie Margueritat, Chargé de recherche CNRS

 

Thématiques de Recherche

PROPRIETES MECANIQUES DES VERRES SILICATES :

Le verre est un matériau fragile à l’échelle macroscopique mais présente une certaine plasticité à l’échelle microscopique. Mieux comprendre cette plasticité est essentiel pour améliorer la tenue mécanique des verres. Néanmoins, il est difficile de caractériser cette déformation plastique locale au niveau expérimental, à cause de sa taille et au niveau théorique, du fait du caractère amorphe des verres. Renforcer les propriétés mécaniques des verres est un enjeu majeur avec des retombées économiques importantes dans le domaine de l’industrie verrière. Pour cela, depuis plusieurs années, l’équipe SOPRANO s’est engagée dans des recherches en collaboration avec plusieurs laboratoires en France et avec St Gobain-recherche dans une approche pluridisciplinaire physique-mécanique-chimique. En effet, des études multi-échelles sont effectuées dont l’un des objectifs est d’améliorer notre compréhension des liens possibles entre la structure et la tenue mécanique des verres. Ces études sont effectuées par spectroscopie Raman sur des échantillons densifiés par haute pression, par micro-indentation, par compression de micro-piliers.

Collaborations : LAMCOS (Villeurbanne), SVI (Aubervilliers), LGF (St Etienne), PMMH (Paris), SIMM (Paris), L2C (Montpellier)).

  (a)       (b)

(a) Photo de l’indent de verre silico-sodo-calcique de charge 2 kg et repère (O,x,y) associé. Les axes (O,x) et (O,y) correspondent aux diagonales de l’indent. (b) Représentation des lignes de niveaux iso-densité des zones indentées par les charges 1 kg et 2 kg.

 

VERRES SOUS CONDITIONS EXTREMES DE PRESSION, DE TEMPERATURE 

Des études fondamentales sur les réorganisations structurales à plusieurs échelles des verres se produisant sous conditions extrêmes de pression est menée afin d’améliorer notre connaissance de la structure des verres.

 Quelques résultats marquants :

  • Anomalie du module d'incompressibilité : liens structure-propriétés élastiques:

Lors de la compression dans le domaine élastique, le verre SiO2 et certains verres alumino-sodo-silicates présentent un minimum du module d’incompressibilité vers 1-2 GPa. Nous avons mis en évidence les liens entre ce minimum et les réorganisations structurales se produisant lors de la compression suivant la structure de départ du verre.

     (a) (b)

 

 

Verre SiO: (a) Déplacement Brillouin en fonction de la pression, (b) Angle intertétraèdre Si-O-Si (obtenu suite à des mesures Raman) en fonction de la pression

 

 

  • Structure des verres suivant leur histoire thermique et mécanique :

Dans le domaine plastique, suivant le chemin de densification (Pression, température), l’organisation structurale du verre diffère pour des densités équivalentes. La température lors de la compression est directement corrélée à la réorganisation structurale et à la stabilité thermodynamique du verre. Des études in-situ en pression et en température de verres d’oxyde sont réalisées afin de décorréler le rôle de la température et de la pression lors de la réorganisation structurale.

 

    (a)            (b)

(a) Spectres Raman de deux verres SiO2 de même densité et de chemin de densification (P,T) différent, (b) Spectres Raman de verre GeO2 sous pression et en température

  • Etude sur l’existence possible d’un polyamorphisme dans les verres, par analogie au polymorphisme dans les cristaux

Le polyamorphisme a été mis évidence pour la première fois sur de la glace et du YAG amorphe. L’équipe étudie cette possible transition sur les verres d’oxyde (silicates, germanates) lors de la compression. Nous avons mis en évidence une transition polyamorphique d’une structure moléculaire amorphe basse densité à une structure de réseau haute densité dans un verre moléculaire de sulfure d’arsenic sous haute pression.

Collaborations: Université de Davis (USA), University College London (UK), Aberystwyth University (UK)

 

 

Spectres Raman d’un verre moléculaire As3S4 à différentes pressions à température ambiante

 

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