Caractérisations opto-mécaniques du verre traité par des méthodes thermo-chimiques

Abstract

Dans les régions sahariennes du sud l’Algérie, les vents de sable sont très néfastes pour les matériaux fragiles, particulièrement le verre (vitrages d’habitations, parebrises, …). Les impacts de sable provoquent un endommagement ascendant généré par l’usure érosive. Le verre est très sensible aux défauts superficiels. Ces derniers deviennent instables sous des sollicitations répétées et conduisent à la rupture catastrophique du matériau. Le renforcement de sa surface est de ce fait plus que nécessaire. Dans ce travail, deux méthodes de renforcement thermochimiques ont été proposées afin d’améliorer la résistance mécanique du verre sans altérer ses propriétés optiques. Le renforcement par modification chimique de la couche superficielle du verre par échange ionique et le dépôt d’une couche mince de ZnO pour conserver la transparence du matériau par la méthode de spray pyrolyse. Le but de ce travail de thèse est d'étudier l'influence des paramètres technologiques des deux méthodes de renforcement sur l’efficacité du traitement obtenu. Pour la trempe chimique l’effet de la température d'immersion et du temps de traitement de l'échange ionique dans un bain de sel fondu de KNO3 sur du verre sodocalcique a été étudié. Les paramètres de dépôt de couche mince ont été modifiés afin de suivre leur incidence sur les propriétés mécaniques du verre revêtu, en particulier sa résistance à l'érosion par du sable naturel du Sahara et par des grains abrasifs d’alumine. L'analyse EDS a montré que la profondeur de pénétration du K+ dans le verre augmente avec l'augmentation de la température et du temps de traitement. L'effet de la température et du temps d'échange ionique sur le renforcement mécanique a été étudié par la micro-indentation, l’essai de rayure, l’essai de flexion, l’essai d'usure et d'érosion. Toutes ces propriétés mécaniques sont améliorées après le traitement avec l’échange ionique. L'augmentation du temps d'échange ionique induit une augmentation de la dureté Vickers d'environ 15 à 40% par rapport au verre non traité. Les échantillons traités à 520°C pendant une courte période de 2 heures présentent les meilleures propriétés mécaniques par rapport aux échantillons traités à 480 ° C pendant des temps plus longs. Dans ce cas, l'échantillon a une densité de surface plus élevée qui rend le réseau des couches superficielles du verre en compression non seulement parce que les ions potassium occupent les espaces de substitution ionique mais également les espaces libres. Ce traitement n’a aucun effet sur les propriétés optiques du verre. L'érosion et la résistance à l'usure se comportent de la même manière, soit en utilisant des abrasifs naturels tels que le sable du Sahara, soit en utilisant un abrasif agressif comme les grains d'alumine. L’endommagement de la surface est plus accentué après son érosion avec les abrasifs d’alumine qu’avec les grains de sable. Différents films minces ont été déposés dans différentes conditions par la technique de la spray pyrolyse. L’analyse de DRX montre que les couches obtenues de ZnO sont de la ,structure de Zincite. Ces couches sont éliminées après un vieillissement en eau ou en NaCl.