Sklenka

Můžeme rozlišit dvě definice skla  :

Rozšíření slova „glass“

Klasická definice slova „sklo“ (tvrdý, křehký a průhledný materiál na bázi oxidu křemičitého) je nedostatečně přesná, zejména proto, že by mezi sklenicemi zahrnovala křemen . Vývoj nových transparentních materiálů v průběhu minulého století učinil tuto definici zastaralou a zdrojem zmatku, zejména proto, že je obtížné zajistit, aby křehký a transparentní materiál byl opravdu opravdu tvrdý a skutečně vyrobený z oxidu křemičitého. Nejviditelnějším příkladem je brýlové sklo, které, i když se mu říká „sklo“, nesplňuje první definici: současné brýle nejsou ani zvlášť tvrdé, ani na bázi oxidu křemičitého (jsou to organické materiály).

Mluvíme také o „skleněných korálcích“ pro materiály vyráběné více než 3 000 let, i když tyto korálky nejsou vůbec průhledné (skelný vzhled je dostačující k tomu, aby jim dal název skla). Totéž platí o millefiori produkovaných od starověku. Skleněná vlna nemusí být průhledná, takže může být pouze průsvitná nebo dokonce černá (stejně jako u skleněné pěny). Proto nazýváme „sklo“ v běžných jazykových předmětech, které z něj nejsou vyrobeny, ve smyslu společné definice skla. Naopak, určité materiály dokonale odpovídají běžné definici skla, aniž by to byla jedna: kromě křemene je určitá keramika také silikátovými materiály, tvrdými, křehkými, na pohled viditelnými, ale nejsou to skla.

Mezinárodní Vědecká komunita proto dává další definici skla: z fyzikálního hlediska, sklo je amorfní (to znamená, že ne krystalická ) materiál vykazující fenomén skelného přechodu. Pod teplotou skelného přechodu , která se velmi liší složením skla (více než 1 000  ° C pro sklovitý oxid křemičitý, méně než 40  ° C pro amorfní selen), se sklo objevuje ve sklovitém stavu . Dnes je velké množství amorfních pevných látek seskupeno pod názvem „sklo“. Vyrábí se tedy nejen minerální skla, ale také organická skla a dokonce i kovová skla .

Typologie

Před více než stoletím byl jako „sklo“, dokonce i pro vědeckou komunitu , považován pouze materiál nebo slitina, která byla tvrdá , křehká (křehká) a průhledná pro viditelné světlo (velmi často dokonce, byla považována za „sklo“ ). slitina na bázi oxidu křemičitého). V té době se sklo nejčastěji vyrábělo z oxidu křemičitého ( oxid křemičitý SiO 2, hlavní složka písku ) a tavidla . Obecně řečeno tato definice přetrvává, protože i dnes je nejběžnějším mezi všemi druhy umělého skla sodnovápenaté sklo .

Před více než čtyřmi tisíci lety egyptští keramici a výrobci vápna zjistili, že zahříváním oxidu křemičitého SiO 2 (písek) s natronem , přeměněným na sodu sušením a čištěním a páleným vápnem , vyrobili víceméně skelný a transparentní materiál. Přidáním určitých přísad nebo barevných minerálních prášků do směsi tito první skláři získali specifická nebo různě zbarvená skla. Hmotnostní podíly výchozí směsi pro získání stabilního skla při 650  ° C jsou přibližně:

Proto náčrt bez stechiometrie chemické reakce vysvětlující konkrétní tvorbu sklovité hmoty:

SiO 2 pevný + Na 2 CO 3 pevný +… - → SiO 2. Na 2 O… stabilní sklo + CO 2plyn

Od 20. let 20. století bylo pomocí rentgenové difrakce (XRD) pozorováno a demonstrováno, že jednou ze specifičností skel byla jejich absence krystalické struktury („řádu“) detekovatelné rentgenovou krystalografií . Tuto specifičnost, která není specifická pro transparentní oxidy, ale pro všechny amorfní, jsme od 20. let 20. století shromáždili pod pojmem „sklo“ většinu amorfních pevných látek . Od počátku XX th  století, mnohé definice rozšířily zastaralé definice skla (přes jejich společné: nedostatek řádu, skelného přechodu,  atd. ), Že se omezuje na transparentních materiálů na bázi oxidů. Vyrábí se tedy nejen minerální skla, ale také organická skla a dokonce i kovová skla . Anorganické brýle můžeme seskupovat do různých tříd, zde je vyčerpávající seznam:

Mnohé z těchto brýlí nejsou průhledné (brýle s kyslíkovým dusíkem, kovové brýle…) nebo alespoň nejsou viditelné ( brýle s chalkogenidem ). Kromě toho je snadné, aniž byste museli přidávat velkoobjemové frakce oxidů kovů, vyrobit silikátová skla, která jsou slabě průhledná nebo dokonce neprůhledná. Obsidian je sopečného skla, jako je například křemičitan obecně mírně průsvitné, ale černá. Sklo REFIOM je také oxidové sklo, které není průhledné.

Dějiny

Zdá se, že tato část obsahuje nepublikovanou práci nebo neověřená prohlášení (října 2019).

Můžete pomoci přidáním odkazů nebo odebráním nepublikovaného obsahu. Další podrobnosti najdete na diskusní stránce .

Od vynálezu skla člověkem ve východní středomořské pánvi s teplem na písku můžeme kulturně rozlišit použití předmětů, které jsou z něj vyrobeny. Tato výroba nebezpečného materiálu je oddělena od touhy něco získat vypalováním (což je naopak případ kovů a keramiky); je to zbytkové . Symbolika nemusí být nutně stejná: pro keramiku, která je také transformovanou zemí, je to jídlo, až po standardní galské nádoby a amfory, včetně šálků. U skleněných nádob, které jsou do moderní doby poměrně malé, je to kosmetická a pohřební lékárna. Ampule s dlouhým krkem vám dá láhev. Buď hrnec v hospodě, nebo královské šampaňské, stejně jako lahve vína. Ekonomické hledisko je zásadní, protože před objevením uhlí k získání fúze při teplotě 1600  ° C za 48 hodin je zapotřebí 1 kg skla k získání 22  kg dřeva  . Těžký materiál současně zakládá svůj původ výroby, trh a odbytiště, obchodní okruhy od doby římské říše.

Symbolický

Sklo je jedním z prvních materiálů, které mají být vyvinuty. Je to symbol křehkosti, jemnosti a průhlednosti: například skleněná pantofle Popelky v příběhu Charlese Perraulta a karikatura Walta Disneyho . Často se má za to, že v původním příběhu byl pantofel vair , ale Perrault psal svou stranu příběhu skleněnou pantoflí, karikatura také tuto myšlenku přebírá.

Ve vesmíru Elder Scrolls je sklo cenným vulkanickým minerálem, který se používá zejména pro kování zbraní a brnění. Jsou účinné, ale paradoxně křehké. V posledním pokračování Skyrimu však nejsou uvedeny žádné podrobnosti o jeho síle, protože degradace zařízení již není ve hře zohledněna.

Věda

Fyzikálně-chemická

Tato část se zabývá sklem a jeho charakteristikami z fyzikálně-chemického hlediska. V této části se omezíme na studium oxidových brýlí . Existují však i jiné hlavní typy brýlí (zejména ty, které se skládají pouze z kovových prvků ), které nejsou transparentní pro optiku, ale pro magnetismus, amorfní kovová skla a rotující skla , krystalizované sloučeniny charakterizované absencí magnetického řádu na dálku ( spin ).

Struktura

Sklo je amorfní materiál, to znamená, že není krystalický. Výsledkem je významná strukturální porucha. Jeho mikroskopická struktura je taková, že ve sklenici není řád na dálku. V tomto a v tomto jediném je to docela analogické s kapalinou. Vezměme si příklad čisté vody složené z molekul vody (H 2 O). Pokud se má izolovat každý molekulu vody, po každém atomu kyslíku, budeme vždy najít dva atomy vodíku  : jedná se o „příkaz“ (to je reprodukovatelný od jedné molekuly na druhou) na krátkou vzdálenost (v měřítku H 2 O molekuly). Na druhou stranu, vezmeme-li dvě různé molekuly H 2 Os odkazem na okamžité t , a že se podíváme na jejich okolí, to znamená, že přesné umístění H 2 O molekulsousedé, získáme dva zcela odlišné výsledky pro naše dvě reference. Ve velké vzdálenosti (ve vzdálenosti větší než měřítko molekuly) není řád. Říkáme radiální distribuční funkci nebo funkci distribuce párů, což je funkce, která dává pravděpodobnost nalezení částice (v tomto příkladu molekuly vody) mezi poloměrem r a r + d r reference. Neutronová difrakce umožňuje například vyhodnocení funkcí radiálního rozložení materiálu pro každý prvek a vykazuje širší vrcholy pro brýle než pro krystaly, což zdůrazňuje náhodnost polohy sousedů referenčního atomového prvku brýle.

V brýlích najdeme pořadí na krátké vzdálenosti (v maximálním měřítku několika meziatomových vzdáleností), ale ne dále. To je ilustrováno prvním jemným vrcholem radiálních distribučních funkcí jako u krystalu, poté se stále více rozšiřují vrcholy, na rozdíl od ideálního krystalu.

Na sklo lze dokonce pohlížet jako na trojrozměrnou „mříž“, podobnou krystalu, ale ve které je zachován pouze řád zblízka. Porovnejme například strukturu oxidu křemičitého (SiO 2) krystalický (ve formě cristobalitu ) a krystalický oxid křemičitý:

V obou případech je každý atom z křemíku je vázán ke čtyřem atomy kyslíku , a tak vytvořit čtyřboký SiO 4(objednávka na krátkou vzdálenost); každý čtyřstěn lze považovat za „cihlu“ konečné stavby. Ale zatímco cristobalit lze definovat jako běžný stoh těchto cihel SiO 4(má pořadí na dlouhé vzdálenosti), sklovitý oxid křemičitý lze považovat za náhodný stoh těchto stejných cihel SiO 4 (už nemá pořádek na velkou vzdálenost).

Díky své amorfní struktuře vytvářejí brýle rozptylující halo v rentgenové difrakci , na rozdíl od krystalů produkujících úzké a intenzivní vrcholy.

Hlavní součásti

Díky své amorfní struktuře je sklo vystaveno velmi malému stechiometrickému namáhání . Výsledkem je, že sklenice může obsahovat velmi širokou škálu prvků a prezentovat velmi složité kompozice.

Ve sklenici z oxidu jsou tyto různé prvky v kationtové formě , aby se vytvořily oxidy s kyslíkovým aniontem O 2- .

Kationty, které se podílejí na složení sklenic, lze rozdělit do tří kategorií podle strukturální role, kterou hrají během vitrifikace (tvorba skla): síťotvorné látky, nesíťové formovače (nebo síťové modifikátory) a meziprodukty. Strukturní kritéria pro tuto klasifikaci berou v úvahu počet koordinace (počet atomů kyslíku, ke kterým je kation vázán) a síly vazby .

U neoxidových brýlí (chalkogenidy, kovové brýle  atd. ) Nelze hovořit o síťotvorných látkách / modifikátorech. Zejména mohou být skla vyrobena z jediného prvku, jako je například sirné sklo nebo selenové sklo (jediné dnes známé prvky, které mohou tvořit sklo samostatně): tyto prvky proto nelze klasifikovat ani jako formující látky, ani jako modifikátory. Může být vytvořeno velké množství chalkogenidových skel, včetně germania - selenu , arsenu - selenu , teluru - arsenu - selenu. U těchto brýlí nebudeme mluvit o síťových trenérech / modifikátorech. Tyto kovová skla jsou obecně vytvořeny z alespoň tří uhlíku s velkými rozdíly v poloměr atomu, tak k tomu, aby se těžší krystalizace, a možné získání skla s přijatelné rychlosti ochlazování. Kovové brýle nemají kovalentní vazby, takže nebudeme hovořit ani o síťových formátorech / modifikátorech.

Síťoví trenéři

Síťoví trenéři jsou věci, které samy o sobě mohou připravit drink. Nejběžnějšími formovacími prvky jsou křemík Si (v jeho oxidové formě SiO 2), bór B (ve formě oxidu B 2 O 3), fosfor P (ve své oxidové formě P 2 O 5), germanium Ge (ve své oxidové formě GeO 2) a arsen As (ve formě oxidu As 2 O 3).

Jedná se o kovové prvky valence poměrně vysoké (obvykle 3 nebo 4krát 5), které s atomy kyslíku tvoří iono-kovalentní vazby (střední kovalentní střední iontové ). Dávají mnohostěn nízké koordinace (3 nebo 4), jako je SiO 4BO 4nebo BO 3. Tyto mnohostěny jsou spojeny svými vrcholy a tvoří skleněnou síť.

Síťové modifikátory

Síťoví modifikátoři (nebo neškolitelé) nemohou sami vytvářet sklo. Jedná se zejména o alkálie , alkalické zeminy a v menší míře určité přechodné prvky a vzácné zeminy .

Obvykle jsou větší (větší iontový poloměr) než mřížoví formátoři, slabě nabití a poskytují vysokou koordinační mnohostěn. Jejich vazby s atomy kyslíku jsou více iontové než vazby vytvářené formery.

Mohou mít dvě velmi odlišné strukturální role, buď skutečné síťové modifikátory, nebo kompenzátory zátěže.

  • Skutečné modifikátory mřížky rozbíjejí vazby mezi mnohostěny ve skleněné mřížce, což způsobuje depolymerizaci druhé. Poté transformují přemosťující kyslík, který váže dva prvky tvořící síť, na nepřemostitelný kyslík, spojený s jediným prvkem tvořícím síť. To se v makroskopickém měřítku odráží snížením teploty tání a viskozity .
  • Kompenzátory náboje na druhé straně kompenzují záporný náboj v síti tvořící mnohostěn, například BO 4- , což umožňuje, aby byla v této konfiguraci stabilní.
Zprostředkovatelé

Mezilehlé prvky mají odlišné chování: některé z těchto prvků jsou buď formativní, nebo se mění podle složení skla, zatímco jiné nebudou mít ani jednu, ani druhou z těchto funkcí, ale mezilehlou roli.

Hlavními mezilehlými prvky v oxidových sklech jsou hliník Al, železo Fe, titan Ti, nikl Ni a zinek Zn.

Barevné centra

Z kovů a oxidy mohou být během výrobního procesu skleněných přidá z kovu, který má vliv na jeho barvu .

  • Přidání malého množství manganu eliminuje zelený odstín produkovaný železem . Při vyšších koncentracích vytváří barvu blízkou barvě ametystu .
  • Stejně jako mangan i selen používaný v malém množství umožňuje zabarvení skla. Větší množství vytváří červený odstín. Sklo je zbarveno modře přidáním nízké koncentrace kobaltu (0,025 až 0,1%).
  • Oxid cínu a oxidy antimonu a arsenu produkují neprůhledné bílé sklo. Tento proces byl poprvé použit v Benátkách k získání napodobeniny porcelánu .
  • Přidáním 2–3% oxidu měďnatého vznikne tyrkysová barva, zatímco přidáním čisté kovové mědi se získá velmi tmavé, neprůhledné červené sklo , které se někdy používá jako náhrada zlatého rubínu .
  • V závislosti na použité koncentraci lze z niklu vyrobit modré, fialové nebo dokonce černé brýle.
  • Přidáním titanu se získá žlutohnědé sklo.
  • Zlato přidán při velmi nízkých koncentracích (0,001%), sousedících kovový poskytuje barevné skleněné šperky, zatímco v koncentracích nižších stále vést ke sklenici červeného méně intenzivní, často popisován jako „  angrešt  “.
  • Z uranu (0,1 až 2%) lze přidat, aby sklo získalo žlutý odstín, zelenou nebo fialovou, fluorescenční ( uranové sklo ). Ten druhý není dostatečně radioaktivní, aby byl nebezpečný. Na druhou stranu, pokud je rozemletý na prášek, například jeho leštěním brusným papírem , může být při vdechování karcinogenní .
  • Sloučeniny na bázi stříbra (zejména dusičnan stříbrný ) umožňují získat odstíny v rozmezí od oranžovo-červené do žluté. Barva získaná přidáním těchto různých přísad významně závisí na tom, jak bylo sklo během výrobního procesu zahříváno a ochlazováno.

Barva skleněných obalů má vliv na zachování obsahu. Když je chmel vystaven světlu bohatému na vlnové délky od modré po ultrafialové, vytváří se merkaptan , chemická sloučenina se silným zápachem. Pivní lahve jsou často tmavé barvy, což tyto vlnové délky filtruje. Zelená barva, která špatně filtruje modrou barvu, je vyhrazena pro piva s nízkým obsahem chmele.

Skleněný přechod

Z termodynamického hlediska , sklo se získá z podchlazené kapalné fáze ztuhne na skelného přechodu bodu , T v .

Pro danou kompozici nás zajímá variace termodynamické veličiny prvního řádu, jako je objem obsazený touto fází (při zachování konstantní tlaku ) nebo jedna z termodynamických funkcí molární energie , jako je entalpie H , pro příklad. (mohli jsme také zvolit vnitřní energii U ).

Pojďme se podívat na chlazení kapaliny. A priori pro teploty pod teplotou tání T f ( T f závisí na tlaku) odpovídá termodynamicky nejstabilnější stav krystalizovanému stavu (nejnižší možná entalpie). Na T f pak pozorujeme variaci H nebo objemu: jedná se o modifikaci termodynamické veličiny prvního řádu, která odpovídá změně stavu. Pod T f také pozorujeme změnu sklonu H (tento sklon je mnohem slabší pro pevnou látku než pro kapalinu).

Pokud je však během ochlazování kapaliny viskozita příliš vysoká nebo je ochlazování velmi rychlé, nemá krystalizace čas a dojde k podchlazení kapaliny . Potom není pozorována diskontinuita H při T f a její sklon zůstává nezměněn. Jak chlazení pokračuje, viskozita kapaliny exponenciálně roste a podchlazená kapalina se stává téměř pevnou. Když dosáhne 10 13  poise , tuhost brání lokálním mikroskopickým pohybům a je pozorována změna sklonu entalpie: nedochází k žádným změnám v termodynamické velikosti prvního řádu, ale ke změně v termodynamické velikosti druhého řádu, jako je koeficient expanze nebo tepelná kapacita (které jsou pozorovány dilatometrií a diferenciální skenovací kalorimetrií ). Teplota, při které dojde k této změně se nazývá teplota skelného přechodu , T v . Skleněný přechod se proto nazývá „termodynamický přechod druhého řádu“ (na rozdíl od fúze, která je přechodem prvního řádu). Skleněný přechod je výsledkem ztráty atomové mobility při ochlazování. Není to přirozené, a proto záleží na rychlosti chlazení: zvyšuje se, pokud se zvyšuje rychlost kalení . Pro teplotu nižší než T v je materiál pevná látka se strukturální poruchou kapaliny  : je to sklo. Porucha, a tedy entropie , je ve skle vyšší než v krystalu . Pod T v se entropie (entalpie nebo objem) mění stejným způsobem pro sklo i pro krystal. Ale, v teorii, v případě, že sklo je dostatečně ochlazena pomalu se T v pádu, extrapolací entropie variace podchlazené kapaliny, můžeme získat sklenici entropie slabší než ekvivalentní krystalu: je to, co se nazývá Kauzmann paradox . O alternativě k tomuto paradoxu se stále diskutuje.

Kontinuální přechod z kapalného stavu do skelného stavu se provádí v teplotním rozmezí vymezeného teplotou tání ( T f ) a teplota skelného přechodu ( T v ). Skelného přechodu zóna rámy T V . Pod T v se sklo stává „mimo rovnováhu“: vzdaluje se od své termodynamické rovnováhy, protože atomové mobility již nejsou dostatečné (zvyšuje se viskozita) pro dosažení rovnováhy (proto se vzdaluje od d, čím větší je rovnováha čím vyšší je rychlost chlazení). Z rovnováhy se říká, že sklo je izostrukturou kapaliny s vyšší teplotou (říká se jí fiktivní teplota). Relaxační čas potřebný k dosažení konfigurační rovnováhy (termodynamická rovnováha) je pak větší než doba zkušeností. Sklo je tedy metastabilní materiál , který se nevyhnutelně vyvíjí do rovnovážného stavu (dokud se jeho fiktivní teplota nerovná efektivní teplotě).

Viskozita

Jednou ze základních charakteristik brýlí je možnost jejich tvarování foukáním nebo rozvlákňováním . To vychází ze skutečnosti, že zahříváním skla bude jeho viskozita kontinuálně snižována, zatímco u krystalické pevné látky je v době tavení pozorována silná změna viskozity. Led má viskozitu při teplotě mírně negativní, řádově 10 14  Pas (výpočtem z Forbes pásmech ledové moře ), zatímco viskozita vody kapaliny je v rozmezí od 10 - 3  Pa s . Voda je tedy 100 milionů miliardkrát tekutější než led a neexistuje forma ledu s takovou viskozitou, že by ji bylo možné foukat jako sklo (při střední teplotě není mezi 10 14 a 10 -3  Pa s žádný led) ). Totéž platí pro ocel a jakýkoli běžný kov. Při zahřívání skleněného viskozitu plynule zmenšuje, typicky 10 45-50 Pa.s , na okenní sklo při teplotě místnosti, při teplotě 1 až 10  Pa.s při teplotě 1500 - 1550  ° C . Nedochází k náhlé změně viskozity, protože sklo nemá termodynamický přechod prvního řádu (teplota tání). Můžeme tedy najít dobrou teplotu pro sklo, pokud nekrystalizuje, kde má přesně tu správnou viskozitu, aby ho vyfouklo, vlákno, formovalo, natáhlo, nalilo nebo jinak tvarovalo.

Určité viskozity jsou důležité z průmyslového a vědeckého hlediska pro výrobu skla. Postupným zahříváním skla, prochází viskozitou , :

  • 10 13,5 Pa s. minimální bod žíhání (někdy „bod přetvoření“ - kmenový bod-). Sklenici nemůžete žíhat při teplotě nižší, než kde má tuto viskozitu. Bylo by to příliš dlouho na průmyslový proces, sklo by uvolňovalo příliš pomalu svá omezení.
  • 10 12  Pa s . U velmi velkého počtu oxidových skel odpovídá tato viskozita teplotě blízké skleněnému přechodu měřené diferenciální skenovací kalorimetrií při 10 K / min.
  • 10 10  Pa s . Dilatometrický bod měknutí: V dilatometrii se odpovídající teplota měří jako „virtuální“ maximum roztažnosti. Vzorek se pod váhou měřícího stojanu dilatometru začíná smršťovat (i když se nadále rozpíná, ale to to nevykompenzuje). Odtamtud začne být sklo tvárné (abychom měli řádově tuto viskozitu, musíme si představit, že pokud by led měl tuto viskozitu, Mer de Glace by proudil více než sto metrů za hodinu).
  • 10 6,6 Pa s. Littleton Point. centimetrové sklo se začne „hroutit“ v časovém měřítku několika minut (pro měření je to standardizováno: ASTM C338, ISO 7884-3), pod svou vlastní hmotností. Tento bod definuje teplotu, pod kterou již není možné předpokládat průmyslový proces tvarování skla průtokem.
  • 10 4  Pa s . Bod nalití. Spíše se používá k definování „délky“ čočky, o které bude pojednáno dále. Při této viskozitě se stává velmi komplikovaným řídit tok skla, pokud je vystaveno pouze své vlastní hmotnosti.
  • 10 3  Pa s . Místo práce, v závislosti na procesu. Jedná se o teplotu, při které lze daný proces použít. 10 3  Pa s je správná viskozita pro foukání. Bod tuhnutí sám o sobě je zajímavý pouze v případě, že se porovnává s pracovním bodem.
  • 10 1  Pa s . Fúzní bod. Viskozita, při které může být kapalina, ze které bude sklo vyrobeno, homogenizována a rafinována.

„Délka“ skla je definována teplotním rozdílem mezi jeho bodem tuhnutí a jeho pracovním bodem. „Dlouhé“ sklo je sklo, které sklář může dlouho pracovat na čerstvém vzduchu, než se jeho viskozita příliš zvýší (protože ochlazuje). „Krátké“ sklo je sklo, které může fungovat pouze krátkou dobu.

Kapalina, která je ignorována?

Sklo je často popisováno jako mimořádně viskózní kapalina a o jeho charakteru pevné látky se často diskutuje. Sklo je někdy popisováno jako kapalina, která je ignorována, protože by měla tu vlastnost, že teče při pokojové teplotě. Připomeňme si nejprve, že tato vlastnost není specifická pro sklo: například led, i když je krystalická pevná látka, teče v měřítku lidské doby s viskozitou při -13  ° C sotva vyšší než viskozita sklenic k jejich T v . Připomeňme si tedy, že pevný charakter je v reologii definován pouze ve vztahu k době pozorování. Mechanická relaxační doba těla je definována ve smyslu Maxwella jako poměr mezi jeho viskozitou a modulem pružnosti ve smyku . Je řádově inverzní k frekvenci atomových pohybů spojených s tokem. Číslo Deborah je definováno jako poměr doby, relaxační a doby pozorování. O těle se říká, že je pevné, pokud je toto číslo mnohem větší než 1, jinak tekuté.

Většina silikátových brýlí má doby relaxace prostředí, které přesahují věk vesmíru , a proto je počet Deborah mnohem větší než 1, i když vezmeme v úvahu dobu pozorování řádově podle věku lidstva. Jsou to pevné látky v reologickém smyslu . Takže v souladu s Daniel Bonn, z Laboratoře statistické fyziky ENS, v případě, že vitráže těchto katedrál nebo zrcadel chodbě zrcadel u Versailles jsou tlustší na základně, než na své horní části, to je skutečnost, použitého výrobního procesu, přičemž z důvodu stability je položena silnější část. Na druhé straně, některé brýle, včetně chalkogenidových skel , mají relativně nízkou T V blízkosti je okolní. To je případ s amorfní selen , nebo černého selenu ( T v = 42  ° C ), který má relaxační doba při pokojové teplotě řádově 15.000  s (3,7  h ). Tok amorfní selen je proto snadno pozorovat při teplotě místnosti, i když je pod jeho T V .

I když je myšlenka „zmrazených kapalin“ první věcí, která se rovná slovu sklo, je to jen malá část toho, co toto slovo označuje z hlediska materiální fyziky. Tento obrázek pochází ze skutečnosti, že nejběžnější metodou pro získání skla je roztavení materiálu a jeho rychlé ochlazení a zabránění krystalizaci, jak je uvedeno výše v části Hlavní součásti . Existují další amorfizační metody, jako je mechanické mletí , koncentrace bez krystalizace (kondenzace páry na studeném povrchu nebo koncentrace rozpuštěné látky v roztoku), lyofilizace nebo dokonce atomizace . Ve francouzštině se slovo „sklo“ někdy používá pouze pro amorfní pevné látky, které jsou výsledkem kalení kapaliny. Sklo je ve skutečnosti a z fyzikálního hlediska materiálu amorfní pevný materiál vykazující fenomén skleněného přechodu bez ohledu na způsob získávání použitého skla. Zejména v angličtině tento rozdíl neexistuje.

U některých materiálů existují strukturální rozdíly mezi kapalnými a amorfními. Glukóza má dvě formy anomerní , a a p. V Ramanově spektroskopii existuje zóna zvaná „anomerní“, která umožňuje rozlišit tyto dvě formy. Ramanova spektra β-glukózových skel získaná kalením kapaliny a mechanickým kryogenním mletím, která jsou znázorněna opačně, jsou různá, s přítomností dalších vibračních pásem v kalené kapalině v důsledku mutarotace glukózy přítomné v kapalné glukóze. To ukazuje, že strukturálně může být sklo, které je výsledkem kalení kapaliny, a sklo, které je výsledkem mechanického mletí, odlišné.

Obraz „zmrzlé kapaliny“ je proto zvláštním případem amorfní pevné látky. Současná shoda ohledně definice skla je „nekrystalická pevná látka“.

Průhlednost

Některá skla jsou ve viditelném rozsahu průhledná, což platí zejména u většiny silikátových skel, což je jedna z nejvyužívanějších vlastností brýlí. Jiné jsou průhledné v jiných rozsazích vlnových délek, například v chalkogenidových brýlích . Běžné okenní sklo je průhledné od UV do střední infračervené oblasti, nepřenáší UV-B a UV-C. Člověk se tak může opalovat za oknem, protože UV-A se přenáší, ale je velmi obtížné ho spálit. Brýle, které jsou průhledné, jsou vždy průhledné pouze v určitém rozsahu vlnových délek, omezených na nízké vlnové délky energií bandgap a na vysoké vlnové délky multifonovým cut-off .

Silikátová skla mají díky křemíku širokou mezeru mezi valenčním pásmem a vodivým pásem ( 9  eV na sklovitý oxid křemičitý, od 1 do 3  eV pro chalkogenidová skla). Aby byl foton absorbován sklem, musí mít dostatečnou energii k excitaci valenčních elektronů do vodivého pásma. Pokud má foton příliš nízkou energii (příliš dlouhou vlnovou délku), aby umožnil elektronu překonat mezeru pásma, je přenesena a sklo je pro tuto energii fotonu průhledné.

Kvůli poruše, která charakterizuje sklenici, se valenční a vodivé pásy rozšiřují do zakázaného pásma (tvoří tzv. Ocasy pásů) a snižují energii oddělující valenční pásmo a vodivé pásmo. Mez optické absorpce (nízká mez, na vlnové délce, kde sklo začíná propouštět) proto není náhlá (neexistuje přesný práh energie fotonu, pro který začíná průhlednost), ale progresivní, malá část fotonů může být absorbována i při energiích mnohem nižších než energie bandgap. Tato zóna nízké absorpce odpovídá „ocasu Urbachu“.

S vibracemi atomové mřížky také spojujeme kvazi-částici zvanou „  fonon  “. Fonony interagují s fotony různými způsoby (viz Ramanův rozptyl a Brillouinův rozptyl ). Fonony mohou vzájemně interagovat a generovat elektrický moment, který ovlivní elektromagnetické záření: tomu se říká vícefónová absorpce. Při vysokých vlnových délkách (nízké energie) proto brýle již nepřenášejí kvůli interakcím foton-fonon. V silikátových sklech odpovídá tažná vibrace vazby Si-O vlnové délce 8,9  μm , a sklo proto při této vlnové délce značně absorbuje. A to natolik, že první harmonická (dvojnásobná frekvence, tedy dvakrát tak slabá vlnová délka: 4,5  μm ) již vytváří velmi silnou absorpci.

Frekvence vibrací atomové mřížky, a tedy i energie fononu, je nepřímo úměrná hmotnosti atomů. Vzhledem k tomu, že chalkogenní prvky jsou relativně těžké, posouvají hranice průhlednosti při delších vlnových délkách (nižší energie) než silikátová skla. Chalkogenidová skla jsou proto v infračerveném záření průhlednější než silikátová skla.

Každý typ nečistoty ve skle indukuje jeden nebo více absorpčních pásů narušujících jeho průhlednost; u okenního skla je železo (jeho oxidy) nečistota, která generuje zeleno-modravý odstín, který lze detekovat pohledem na okno na okraji. Křemičitá skla obsahující mnoho nečistot, jako je sklo REFIOM , nejsou průhledná, ale černá.

Kovová skla (amorfní kovové slitiny) mají volné elektrony, jsou to vodiče, a proto nemají žádnou mezeru. Výsledkem je, že nejsou transparentní.

Chemická odolnost a změna skla

Průmyslové sklo má dobrou kompatibilitu s většinou chemických sloučenin; nicméně kyselina fluorovodíková (HF) snadno degraduje sklo.

Brýle nejsou citlivé na působení vody nebo vzduchu . Voda ovlivňuje většinu vlastností skla, například jeho viskozitu. Jedním ze známých účinků vody na sklo je „podkritické šíření“: hydrolýzní reakcí se praskliny ve sklenicích pod tlakem progresivně množí, což může ve víceméně dlouhodobém horizontu vést k jejich prasknutí. To samozřejmě nezabrání existenci brýlí, která jsou stará několik milionů let a nejsou pozměněna, protože citlivost brýlí na změnu závisí na jejich chemickém složení.

Mechanická odolnost: křehkost

Sklo se v běžném slova smyslu jeví jako křehký materiál . Silikátová skla, jako většina oxidových nebo chalkogenidových skel, jsou při pokojové teplotě účinně křehká v tom smyslu, že je lze rozbít bez jakékoli trvalé deformace (na rozdíl od tvárného materiálu , jako je olovo, které se může před rozbitím zdeformovat, ohnout). Je však možné sklo trvale deformovat pod vysokým tlakem: tomu se říká „zhutnění“. Sklovitý oxid křemičitý tak může vidět, že jeho objem je snížen o téměř 25%. Křehká povaha brýlí, a tedy absence mechanismu plastické deformace při okolní teplotě a tlaku, je způsobena jejich silnými atomovými vazbami (většinou kovalentní nebo iontové). Obecně by se dalo očekávat, že materiál s vysokými vazebnými energiemi bude mechanicky velmi silný, protože k rozbití jeho vazeb by bylo zapotřebí hodně mechanické energie ( diamant je typickým materiálem, který by tuto vazbu podporoval ). Myšlenka). Nyní víme, že sebemenší povrchové škrábání na těchto materiálech může být iniciátorem trhliny a poté prasknutí ( rozbití ) v důsledku koncentrace napětí. Jelikož je téměř nevyhnutelné, aby tvrdý materiál, jako je sklo, vykazoval na povrchu úhlové vady, je důležité charakterizovat jeho mechanickou odolnost, nikoli energii atomových vazeb, ale její houževnatost , tj. Odolnost proti šíření těchto vad. Houževnatost oxidového skla je relativně nízká (0,5 - 1,0  MPa . √ m ), nebo téměř stokrát nižší než současný kov. Houževnatost křemičitanu sodno-vápenatého lze však značně zvýšit tepelným nebo chemickým tvrzením . Většina dnešních obrazovek smartphonů a tabletů jsou chemicky tvrzené tenké brýle.

Spontánní rozbití skla

Existuje mnoho svědectví lidí, kteří pozorovali skleněné nádoby, které „explodují samy“, aniž by se jich dotkly. Na tomto jevu není nic paranormálního. Aby se sklo rozbilo, stačí, když vytvoří trhlinu, a tahové napětí způsobí šíření trhliny (to je základ definice houževnatosti ). Pokud je napětí příliš nízké, trhlina se nepohybuje. Silikátová skla jsou však citlivá na vodu a hydrolýzní reakce může urychlit trhlinu, když dojde k tahovému napětí pod touto prahovou hodnotou: toto se nazývá subkritické šíření. Trhlina pak může postupovat velmi pomalu, nanometr po nanometru, pod jednoduchým účinkem vlhkosti vzduchu. Stres může pocházet ze špatného žíhání skla. Jakmile trhlina dosáhne kritické velikosti nebo vstoupí do oblasti vysokého napětí, skleněná část praskne. V závislosti na vlhkosti, teplotě, teplotní historii skla a počáteční velikosti trhliny může proces trvat roky.

U tepelně tvrzeného skla lze tomuto jevu v zásadě zabránit. Zasklení však může podléhat znečištění sulfidem niklem (NiS) pocházejícím ze surovin (kalcit, dolomit). Při teplotě ohřevu tepelného zpracování mění NiS fázi (α, stabilní od 379 ° C) a smršťuje se (od 2 do 4%) a během kalení nemá čas se vrátit do své stabilní fáze (β) při teplotě místnosti a zůstávají ve fázi α. Jelikož je však tato fáze metastabilní, postupně se vrací do formy β opětovným zvětšením (což může trvat dlouho), což ve sklenici a její „spontánní explozi“ vytváří obrovské napětí dlouho po instalaci zasklení.

Dopady střely

Sklo je podle své tloušťky, složení a způsobu výroby víceméně odolné proti nárazům, pádům a nárazům.

Ukázalo se, že pro danou čočku počet prasklin ve tvaru hvězdy počítaných kolem bodu nárazu (například střely) odráží relativní rychlost střely proti sklu v době nárazu. V případě nehody nebo použití střelné zbraně, která zasáhla sklo, je proto možné získat informace o rychlosti střely (a tedy o vzdálenosti střelce, pokud známe typ zbraně a použité střelivo ); podle testů prováděných na střelech vypuštěných při stále vyšší rychlosti až 432  km / h platí , že čím větší je množství kinetické energie, tím větší je počet trhlin, přičemž tato dvě nastavení spojuje jednoduchá rovnice. Naopak, nyní můžeme také odvodit rychlost vozidla v době nehody, a to pozorováním prasklin na světlometu nebo čelním skle perforovaných během nehody.

Navíc podle měření amatérů je rychlost šíření trhlin uvnitř tvrzeného skla o tloušťce 5  mm přibližně 1 458  m / s .

Výpočet vlastností

Reprezentativní hodnoty

Následující hodnoty jsou určeny pouze k zajištění řádové velikosti, protože existuje několik druhů skla, od těžkých kamínků (s obsahem olova; hustota se pohybuje od 2 500 do 5 900  kg / m 3 ) až po standard okenního skla (2 500 kg / m 3 ) přes koruny (od 2 200 do 3 800  kg / m 3 )  atd.

Průměrné fyzikální vlastnosti sodného skla
Fyzické vlastnosti Hodnota Jednotka
Objemová hmotnost 2 500 kg / m 3
Youngův modul 69 000 MPa
Poissonův koeficient 0,25
Mez pružnosti 3 600 MPa
Odolnost od 1 500 do 2 500 Pa
Koeficient lineární roztažnosti od 0,5 do 15 × 10-6 / ° C
Tepelná vodivost 1 W m −1  K −1
Výpočet kombinací vlastností různých fází

Vlastnosti skla lze vypočítat statistickou analýzou databází skla, např. SciGlass a Interglad. Pokud požadovaná vlastnost skla nesouvisí s krystalizací (např. Teplota likvidu ) nebo s fázovou separací, lze použít lineární regrese pomocí běžných polynomiálních funkcí až do třetího stupně. Níže je uveden příklad rovnice druhého stupně. K C -hodnoty jsou komponentní koncentrace skla, jako je například Na- 2 Onebo procento CaO nebo jiné frakce se b -hodnoty jsou koeficienty, a n je celkový počet skleněných dílů. Hlavní složkou skla, oxid křemičitý SiO 2, je v níže uvedené rovnici vyloučeno z důvodu nadměrné parametrizace z důvodu omezení, že všechny komponenty dosahují 100%. Mnoho termínů v níže uvedené rovnici lze přehlédnout pomocí korelace a analýzy významnosti.

Vlastnost skla =

Predikce hlubokým učením („ hluboké učení “)

Vlastnosti skla, které je poměrně obtížné předvídat, zejména obtížnost vytváření univerzálních modelů pro každou vlastnost, současná řešení pro predikci vlastností skla a umožnění vývoje nových skel se specifickými vlastnostmi, jsou orientována, protože málo, směrem k hlubokému učení . Princip schematicky spočívá ve výcviku neurální sítě pomocí strojového učení (to je umělá inteligence ) k určení vlastností mnoha již známých brýlí (obvykle 100 000), takže je následně schopen extrapolací předvídat vlastnosti brýlí předtím vyvinut. Tato metoda umožňuje osvobodit se od jakéhokoli fyzického modelu, který se po desetiletí vědeckého výzkumu stále nepodařilo zavést.

Přírodní sklo

Přírodní sklo je jakýkoli druh skla, které se přirozeně tvaruje. Existují dvě hlavní rodiny: biologické sklo a geologické sklo.

Organické sklo

Druh produkující nejvíce skla na Zemi nejsou lidé, ale rodina rozsivek . Tyto jednobuněčné řasy jsou chráněny skleněnou skořápkou s překvapivými a jemnými tvary. Tvoří plankton , toto sklo má značnou hustotu a mnohem vyšší než u skla vyráběného v průmyslu. Od roku 2008 vědci začali identifikovat podrobnosti syntézy  : vychází z křemičitanů přítomných v mořské vodě a začínají vědět, jak podobné reakce reprodukovat v laboratoři. Tato výroba probíhá za měkkých chemických fyzikálních podmínek , to znamená, že nevyžaduje vysokou teplotu a tlak .

Hlavní výhodou skla pro rozsivku je, že nebrání fotosyntéze tím, že propouští světlo. Syntetizuje se velmi rychle v době meiózy .

Geologické sklo

Mnoho silikátových hornin, pokud jsou dostatečně rychle ochlazeny, mají tendenci vitrifikovat. Tento jev pozorujeme zejména na Zemi poblíž sopek, kde můžeme například pozorovat tvorbu obsidiánu , pemzy (složení obecně blízké obsidiánu), tachylytu , palagonitu .

Tyto fulgurites jsou dalším příkladem přírodního skla, vyrobené pomocí úderu blesku (obvykle písek). Impactite je tvořen dopadem meteoritu. Jeho nejznámější formou je lybické sklo. Měsíc má také skálu vitrifikovanou dopady meteoritů na svůj povrch. Mluvíme pak o lunárním skle.

Na rozdíl od impaktitů nalezených v kráteru jsou tektity vysunuty v okamžiku nárazu z kráteru až na vzdálenost až 2 000  km . Při dopadu, narážejícího skála bankovnictví a taví, protože teplota obvykle vyšší než 1600  ° C . Vzhledem k tomu, že atmosféra byla při nárazu vyfouknuta projektilem meteoritu, jsou přechodné prvky, jako je železo, přítomny hlavně v redukované formě. Roztavený ejecta vytvořený ze směsi pouzdra a nárazového tělesa zaujímá balistickou trajektorii rychlostí několika km / s a ​​je vystaven nízkým tlakům. Během své cesty atmosférou prochází silikátová kapalina extrémně rychlým kalením . Tektiti se vyznačují různými a někdy překvapivými tvaroslovími (koule, činka, kapka, hruška, slza  atd. ) Podle své tepelné historie, rychlosti otáčení a eroze po spadu.

Komety by také byly tvořeny „sklenicí vody“ nebo amorfním ledem .

Bioaktivní sklo

Bioaktivní brýle nebo bio brýle jsou materiály používané v rekonstrukční chirurgii jako náhražky kostí.

Ostatní brýle

Extrapolací se název sklo používá pro jiné amorfní materiály.

Například směsi na bázi zirkonia , barya , lanthanu a fluoridů hliníku produkují fluorovaná skla, která jsou v ultrafialovém záření průhlednější a blízká infračervenému záření než křemičité sklo. Používají se proto k výrobě optických přístrojů pro toto záření.

Mnoho brýlových čoček je vyrobeno z organických čoček, což jsou polymery na bázi uhlíku, jako je polykarbonát bisfenolu A nebo allylpolykarbonát.

Některé kovové slitiny lze ztuhnout amorfní strukturou velmi rychlým ochlazením, pak se jim říká kovové sklo . Například může být roztavený kov promítán na měděný buben, který se otáčí vysokou rychlostí. Tyto slitiny se používají například pro jádra transformátorů . Ve skutečnosti je jejich hysterezní cyklus velmi nízký, což značně snižuje ztráty.

Vklady amorfních kovových slitin (Al-Cu-Fe) lze získat vakuovým nanášením .

Výroba

Kromě tenkých vrstev nanášených různými metodami je proces syntézy skla velmi často následující: tavení, popouštění a žíhání ( metoda „kalení z taveniny“ , anglicky).

Fúze

Co se týče sodnovápenatých skel, smísí se prvky nezbytné pro syntézu skla, obvykle oxidy (oxid křemičitý) a uhličitany (uhličitany vápenaté, uhličitany sodné), které se potom roztaví. Sklo standardní sklo se používá bílý písek, sodu, vápna a krycího skla (dále jen střepy ), který nese na 1550  ° C . Sklo se pak často rafinuje, zejména pro velké objemy: zbavuje se bublin udržováním při vysoké teplotě. Relativně nízká viskozita pak podporuje vzestup bublin na povrch. Je také možné projít procesem homogenizace, například smícháním kapaliny, pokud konvekční pohyby uvnitř kapaliny nejsou dostatečné.

Kalení

Pokud je roztavená směs jemně ochlazována, bude mít sklon ke krystalizaci, protože krystal je termodynamicky nejstabilnější pevná forma. Aby nedocházelo ke krystalizaci a aby se získala amorfní struktura, tedy sklo, musí být kapalina prudce ochlazována: mluvíme o temperování, i když u sklenic jde jen zřídka o ponoření roztavené směsi do vody. Silikátová skla jsou nejčastěji nasáklá vzduchem (přivedeným náhle z tavicí pece na okolní vzduch nebo do jiné pece při nižší teplotě). Tyto kovová skla vyžadují násilné nálady, protože chlazení musí být někdy dosáhnout několika tisíc stupňů Kelvina za sekundu. Tyto chalkogenidové sklo , natavování se provádí v oxidu křemičitého ampule jsou často ukončena ponořením lahvičku ve vodě nebo ledu.

Žíhání

Popouštění indukuje rychlejší ochlazování povrchu skla (ve styku se vzduchem) než jádra. Povrch se ochladí, smrští a ztuhne. Tento jev vytváří ve skle napětí. Tento jev je dobře znám během tepelných šoků  : pokud vyjmete skleněnou misku vyjmutou z trouby při 200 ° C a dáte ji do dřezu, pod proudem studené vody se rozbije, protože povrch chce být při kontaktu s studená voda, ale srdce jí brání. Povrch je proto vystaven náhlému napětí, které má za následek prasknutí. Při kalení po roztavení se povrch smrští, ale ne jádro. Ale srdce, velmi horké, má viskozitu dostatečně nízkou, aby se přizpůsobila kontrakci. Sklo se proto nerozbije, ale zůstává silně omezené. Pokud se tato napětí neléčí, může dlouhodobě vést k rozbití skla . Žíhání se proto provádí při teplotě blízké teplotě skelného přechodu, takže viskozita skla je dostatečně nízká, aby se napětí uvolnilo během jedné až několika hodin, v závislosti na povaze a objemu skla.

Pokud je skleněný předmět v jemné formě, není žíhání nutné, protože tepelný gradient mezi povrchem a jádrem zůstává nízký: optická vlákna nebo skelná vata nejsou žíhány.

Pokud je sklo špatně žíháno, lze vnitřní napětí v polarizovaném světle pozorovat fotoelastickou metodou . Tento experiment může provést kdokoli: obrazovka počítače poskytuje polarizované světlo, umístíme skleněný předmět dopředu a díváme se na něj polarizovanými slunečními brýlemi : pokud se ve skle objeví „duha“, je špatně žíhaná.

Formátování

Sklo lze tvarovat různými způsoby, které lze rozdělit na kontinuální a diskontinuální:

Třída Proces Definice Příklady
Přerušeno Foukání Duté sklo
Odlévání do formy Roztavené sklo se nalije do formy mající tvar vyráběného předmětu. Duté sklo
Lisování Roztavené sklo je stlačeno ve formě mající tvar předmětu, který má být vyroben. Katodová trubice , duté sklo
Odstředivé lití Duté sklo
Pokračování Laminace Roztavené sklo se vede mezi dvěma válcovacími válci. Ploché sklo (málo používaný proces)
Výkres Ploché sklo (málo používaný proces), luminiscenční trubice , sklolaminát
Plovoucí Roztavené sklo se nalije na lázeň s tekutým cínem a roztírá se tam a vytváří souvislý pás. Ploché sklo
Odlévání na stůl Roztavené sklo se nalije na stůl a válcuje. Ploché sklo (málo používaný proces)
Vytlačování

použití

Sklo na bázi oxidu křemičitého se od středověku používá především v optice pro své refrakční vlastnosti ( čočky , brýlové čočky ).

Oxidová skla jsou známá pro své použití ve viditelné a blízké infračervené optice (čočky, hranoly, zrcadla od středověku; moderní optické vlákno pro telekomunikace).

Transparentnost silikátových skel z nich činí hlavní prvek ve vývoji moderní solární energie. Chalkogenidová skla jsou nyní vyvíjena pro infračervené optické aplikace, včetně nočního vidění, infračervené spektroskopie evanescentních vln, holografie a optoelektronických aplikací atd.

Používá se také v chemii a v potravinářském průmyslu  : reaguje velmi málo s většinou sloučenin používaných v těchto oblastech, je proto ideálním materiálem pro nádoby ( lahve , nádoby na jogurty , kádinky , Erlenmeyerovy baňky , kolony destilačních zkušebních kusů , zkumavky ). Jednou z mála kapalin schopných účinně rozpouštět sklo je kyselina fluorovodíková (HF).

Sklo je materiál, ve kterém je vysoce radioaktivní odpad ( HAVL ) omezen procesem vitrifikace. Sklo, které je neuspořádané, skutečně dlouhodobě dobře odolává radiaci, na rozdíl od kovů, jejichž struktura má tendenci k amorfnosti, a proto při ozařování ztrácí své mechanické vlastnosti. Sklo navíc velmi dobře stárne v geologickém měřítku, a to i za přítomnosti vody.

Sklo je také velmi důležitým stavebním materiálem v architektuře . Mimo skla float je obvyklé od poloviny XX th  století, skleněné cihly použity pro sto let umožňuje horizontální a vertikální průsvitné stěny; pochází ze starožitné čtvercové skleněné desky. Skleněná pasta nahradila keramické prvky plynoucí z mozaiky na fasádách v moderní architektuře, na hydroizolaci bazénů; v roce 2019 „rafinované“ koupelny přinášejí tento materiál zpět do módy. Sklo je v současné době působí zejména ve formě skelné vaty, lehké, odolné vůči hnilobě a nehořlavý izolátoru .

Skleněná vlákna na bázi oxidu křemičitého hrají důležitou roli v současných strukturách prostřednictvím optických vedení přenášejících informace z různých senzorů, které umožňují nepřetržité monitorování struktur.

Sklo je také velmi důležitým materiálem v dnešním automobilovém průmyslu .

Chalkogenidové brýle jsou také široce používány na DVD, kde jsou nosiči informací. Sklo je také přítomno v high-tech každodenních předmětech: pevné disky , dotykové obrazovky, samočisticí brýle a výrobci skla zvažují několik budoucích aplikací.

Některé oceli mohou tuhnout v amorfní formě, „kovové sklo“. Kovové brýle byly také zavedeny do sportovních předmětů (sněžnice, lyže, netopýři).

Díky své izotropii mají tyto oceli zajímavé nemagnetické vlastnosti, zejména pro konstrukci tajných ponorek . Mají také velkou tvrdost a velmi dobrou odolnost proti korozi.

V mnoha aplikacích je sklo v současné době nahrazováno plastovými materiály , které jsou lehčí a často odolnější proti nárazu .

Lze jej nalézt ve formě mikrokuliček, vláken (stříhaných i neřezaných), rohoží (vlákna uspořádaná „ve velkém“) nebo tkanin (  například metoda tkaní „  taftem “). Tyto formy, zabudované do polymerní matrice nebo nanesené na povrch, se používají zejména jako výztuž (vláknitá nebo ne) termoplastických ( polyamidů ) nebo termosetových ( polyesterů , epoxidů ) pryskyřic v plastech i kompozitních materiálech .

Umělecké využití skla bylo po staletí nespočetné. V současném umění najdeme jak rozbitý, tak i žíhaný led, stejně jako světelné haute couture šaty. Doprovázely nebo vyžadovaly mnoho technických inovací (středověké sklo bez obsahu sodíku, skleněná pasta, fixace, tvarování za tepla  atd. ).

Druhy průmyslového skla

Sklo může projít úpravami, které ho zpevní a zajistí:

  • Tvrzené sklo  :
    • Kalení teplem: tepelné zpracování zvyšuje odolnost dílů: boční a zadní okna automobilů, jako jsou některé kusy nábytku, jsou temperovány rychlým a řízeným chlazením, nejčastěji vzduchem.
    • Chemické vytvrzování: tento typ vytvrzování probíhá nahrazením difúze části alkalických iontů jinými alkalickými ionty většího iontového poloměru. Například sodík nebo lithium ve skle ionty draslíku.
  • Vrstvené sklo  : složené ze vrstev sklo-plast-sklo nebo více. Na čelní skla z automobilů a obrněných oken jsou vrstvené bezpečnostní sklo. Během nárazu se tedy čelní sklo rozbije, ale zůstane na svém místě. Je méně pravděpodobné, že by cestující byli zraněni poškozením. Pancéřového skla s osmi vrstev z plastické hmoty může vydržet 70 ax před přešel.

Sklo může také projít povrchovými úpravami , nejčastěji nánosy:

Řemeslné techniky skla

Sklo je činnost měřítku .

  • Sklo práce s „ hořák sklář “  plamen  : sklářské práce z trubice a tyče z taženého skla, které změkčují pomocí plamene z letovací lampa transformovat ji foukáním nebo různými nástroji. Ve Francii se práce foukaného skla v plameni pro realizaci dekorativních nebo užitkových předmětů nebo jedinečných kusů věnuje několik řemeslníků.
  • Foukané sklo  : foukače skla ohřívají roztavenou skleněnou kouli odebranou na konci třtiny, do které foukají, aby nafoukly sklo a vytvořily prázdnou kouli. Poté tuto kouli natáhnou, zploštějí a prorazí, aby jí dala konečnou podobu. Jakmile se jednou vytvrdí, někteří to zdrsní, aby vytvořili vzory.
  • Zakřivené sklo  : deformované při teplotě měknutí (kolem 600  ° C ) na zakřivení formy, lze tento proces zakřivení kombinovat s temperováním , laminováním, řemeslným způsobem (skleněný bombardér vyrábějící pouliční lampy, vitríny). Stříbro, hodiny globusy) nebo průmyslové (čelní skla a automobilové brýle, optická zrcátka).

Od starověku přijali malíři tabuli skla jako podporu pro malování; mimo jiné je reverzní malba na sklo (nebo malba pod sklem nebo malba na sklo ) obtížná umělecká technika, která se provádí přímo na skleněnou tabuli. Sklo podporuje barvy jako plátno. Připájeno ke sklu, o této podpoře uvažujeme nad prací. Sklo tak slouží jako podpěra i jako ochranný lak. Pamatujte, že se jedná o techniku ​​malování za studena, takže tento proces nevyžaduje pečení. Pigment je vázán na sklo olejovým nosičem, nejčastěji na bázi laku. Velká část barev používaných před naší dobou je v současné době zakázána (zdraví sklářů).

Terminologie

  • Křišťál  : sklo s vysokým obsahem olova, které mu dodává intenzivnější lesk a je zpracováno podobným způsobem jako sklo. Aby si zasloužilo označení krystal,musí býtkoncentrace oxidu olovnatého mezi 24 a 56% .
  • Skleněná pasta  : forma vyráběného dílu je vyrobena ze žáruvzdorného materiálu ( například na bázi kaolinu ) za použití různých technik včetně ztraceného vosku. Po upečení se podle úrovní ohřevu, aby se zabránilo prasklinám, forma ochladí a naplní práškem nebo granulemi barevného skla různě podle požadované dekorace. Probíhá nové vypalování a po ochlazení je forma jemně zničena chemickými nebo mechanickými prostředky, aby se uvolnila část, jejíž tvar a barvy budou dokonale kontrolovány. Tato technika, přičítáno Egypťanů, byl objevil téměř současně Henry Cros , Francois Décorchemont a Georges Despret ve druhé části XIX th  století . Vyznamenali se tam Almaric Walter , Gabriel Argy-Rousseau .
  • Tvarování za tepla  : tato technika spočívá ve studeném pokládání jedné (nebo více) skleněných tabule, případně barevných, na žáruvzdorný materiál, jehož reliéf bude následovat při vypalování.
  • Frit  : skleněná kompozice, kterou lze obarvit (pomocí oxidů kovů), přivést k roztavení a namočit do lázně studené vody, aby se snížila na granule používané k přípravě smaltů nebo „svazků“ »(Bars) barevné, základní materiály pro skláře.
  • Vychystávání  : akce, kdy se do trouby vezme hromada skla pomocí cukrové třtiny nebo pontilu .
  • Pontil  : pevná kovová trubka, pontil umožňuje tvarování pomocí „mramoru“ nebo použití různých nástrojů. Používá se také k oddělení předmětu od třtiny za účelem propíchnutí a opracování límce, přivedení zpět dekorativních prvků, rukojetí, nohy.

Recyklace

Sklo, pokud je dobře tříděno ( selektivní třídění ), lze recyklovat bez omezení jeho kvality. V některých zemích, jako je Německo, Belgie, Švýcarsko nebo severské země, může třídění rozlišovat mezi bílým, zeleným a hnědým sklem pro účinnější recyklaci a výrobci a spotřebitelé volí vratné a znovu použité lahve .

Sklářské sklo a drcené sklo pocházející ze sběru (znečištěné prachem a jiným odpadem) a čištění městských komunikací a vodotěsných podlah jsou sklárnami odmítnuty. Hledají se pro ně jiná použití nebo se testují, aby je nebylo nutné nadále posílat na skládku nebo do spalovny). Může být použit jako dekorativní prvek (barevné sklo) v betonu .

V asfaltu , například ve Francouzské Guyaně , se od konce roku 2006 jako spodní vrstva vozovky používá skleněný odpad (70 t shromážděný na konci roku 2006 s prvním zkušebním místem v polovině roku 2007 ve středu Cayenne). ve formě drceného skla . Na  30  km silnice je potřeba 4 600 t skla . Tento typ opětovného použití však může představovat nebezpečné problémy (na staveništích a možná pro zavalování fauny ).

Generální oprava

Použité skleněné lahve lze roztavit . Takto získaný materiál umožňuje výrobu nových lahví.

Sklo lze vyrábět také z regenerovaných střepů (drceného skla). Výroba skla z regenerovaných střepů šetří suroviny a energii .

Před přetavením je sklo podrobeno různým úpravám: broušení, mytí, odstraňování lepidel, etiket, kapslí, oddělování skla a kovů a odstraňování odpadu (porcelán, kameny  atd. ).

Ve Francii se většina skla získává ve formě rozbitého skla. Vratné sklo se shromažďuje ve všech barech a kavárnách , stejně jako u pivních lahví při veřejném prodeji v Alsasku . Agentura pro životní prostředí a správu energie (Ademe) si myslí, že výhoda uložení skleněných nádob není zřejmá, vzhledem k poměrně dlouhým zásobovacím obvodům ve Francii.

Odešel z úschovny zavazadel

U tohoto systému jsou lahve regenerovány celé, za finanční kompenzaci, omyty a poté znovu použity.

V Evropě je ukládání opakovaně plnitelného skla povoleno na základě uvážení členských států, pokud nedojde k narušení hospodářské soutěže a v rámci politiky ochrany životního prostředí.

Německo a Belgie favorizoval set. Kanada používá systém podobný Německu a standardizovala formát pivních lahví, aby umožnila nákladově efektivnější a snadnější opětovné použití různými společnostmi.

Údržba a restaurování skla

Sklo může krystalizovat a stát se víceméně neprůhledným nebo dokonce práškovým .

Při kontaktu s látkami přítomnými v půdě mohou být výkopové brýle iridescentní.

Vklady nebo chemické úpravy mohou upravit jeho povrch.

Brýle obecně podporují lehké mýdlo. Při zlacení však buďte opatrní, že je lepší netřít.

V zásadě, koroze skla je spojena s přítomností H + iontů v H 2 O.

Trhliny jsou nevyřešené a koláže jsou obecně viditelné kvůli rozdílu v indexu lomu . Kyanoakrylátová lepidla a silikony někdy poskytují uspokojivé výsledky, ale epoxidová lepidla jsou výhodná pro svou větší stabilitu, index lomu blízký indexu určitých skel a nízkou viskozitu. V minulosti jsme používali hlavně kanadský balzám .

Ekonomika

Poznámky a odkazy

Poznámky

  1. Když říkáme, že sklo je průhledné, mluvíme o viditelném světle , protože sklo může být při jiných vlnových délkách neprůhledné .
  2. oxidu křemičitého o chemickém vzorci SiO 2, je hlavní složkou písku .
  3. Jeden může snadno nalézt v literatuře XIX th  století, definice skla, například v této zprávě konference: Henderson, CH (1887), sklářství , Journal of Franklin Institute , 124 (3), 199- 224.
  4. Pokud ohřívá stechiometrickou směs sody a oxidu křemičitého, bez tavidla, tedy méně tavitelného, ​​získá provozovatel v peci na uhlí nad 1000  ° C metasilikát sodný , suchý materiál rozpustný ve vodě zvaný „  vodní sklo  “, známý pro jeho staré použití jako vysoušedlo, protipožární nátěr, ochranný prášek na vejce, prací prostředek. Chemická reakce je následující: Na 2 CO 3 pevné + SiO 2 pevná látka - → Na 2 SiO 3 bezvodého metakřemičitanu, pevná látka + CO 2plyn .
  5. Písek je také zemí, na které se pohybujeme.
  6. Viz Amorphous Metal Alloy , zejména části „  Historie  “ a „ Metody kalení “  .
  7. Pokud první derivace volné entalpie s ohledem na teplotu prochází náhlou změnou, jedná se o přechod prvního řádu, pokud druhá derivace volné entalpie (koeficient roztažnosti, tepelná kapacita, stlačitelnost) prochází náhlou změnou, je přechod druhého řádu. Viz: Jo Perez, Nekrystalické materiály a věda o nepořádku , PPUR, 2001.
  8. Zobrazit (in) Kauzmannův paradox na Wikipedii.
  9. Edgar Dutra Zanotto, teče katedrální brýle? , American Journal of Physics , květen 1998, sv.  66, n o  5, str.  392-395 . Podle Zanotta by doba relaxace sklenice byla delší než 10 32  let, což odpovídá době deset bilionů miliardkrát delší než věk vesmíru.
  10. Viz Viskozita .
  11. Viz Amorfní led s vysokou hustotou .
  12. Vláknitá vyztužení se vyznačují svou gramáží (hmotnost vláken na metr čtvereční).
  13. Například formování trubek zavedením vzácného plynu zvaného neon .
  14. Viz Složení krystalu .

Reference

  1. Lexikografické a etymologické definice „skla“ z počítačové pokladnice francouzského jazyka na webových stránkách Národního centra pro textové a lexikální zdroje
  2. Cnrtl , sklo, definice „skleník [rovná se] otevřená a dostupná informace“ .
  3. „  Jerzy Zarzycki  “ (zpřístupněno 15. března 2018 ) .
  4. Jerzy Zarzycki, Brýle a stav sklivce , Masson,1982, 391  str. ( ISBN  978-2-225-69036-5 ).
  5. Krystalizace v brýlích pro použití in vitro , Chemické novinky .
  6. Pojednání o materiálech - 1. díl - Úvod do vědy o materiálech , PPUR , 1999 ( ISBN  2-88074-402-4 ) , s.  64  ; více informací o šaržových látkách str.  205-210 .
  7. Rossington, DR (1972), Povrchová chemie skla. V úvodu do sklářské vědy , s.  513-543 , Springer US., P.  3
  8. Parks, GS, Huffman, HM a Cattoir, FR (1928), Studie o skle. II. Přechod mezi sklovitým a kapalným stavem v případě glukózy , The Journal of Physical Chemistry , 32 (9), 1366-1379
  9. Barton, J. a Guillemet, C. (2005), Glass, science and technology , Editor: EDP Sciences.
  10. ve skle sodného s „  sodíku  “, z východního Středomoří, byly přepracována, znovu použít a stát po dobu vzácné VI th  století, kdy obchodní cesty se zlomit. Sophie Lagabrielle, Stéphane Palaude, Yves-Marie Adrian a Emmanuel Laurentin, La Fabrique de l'Histoire, Skleněné revoluce , kultura Francie, 26. června 2019.
  11. Nomenklatura Francouzské národní knihovny
  12. Přečtěte si příběh Charlese Perraulta
  13. P. Bordet, „  Studie lokální struktury funkcí distribuce párů  “ , na https://www.neutron-sciences.org , Sbírka SFN9 (2008) 139–147 © EDP Sciences, Les Ulis (konzultováno na 23. května 2020 )
  14. Popescu, MA; Science, S.-S. and Library, T. (eds.), Non-Crystalline Chalcogenides Kluwer , Academic Publishers, 2000
  15. „  Pivní láhev: proč mají tuto barvu?  » , Na barvě skleněných lahví (přístup 4. července 2021 )
  16. Tool, AQ, Vztah mezi nepružnou deformovatelností a tepelnou roztažností skla v jeho rozsahu žíhání , Journal of the American Ceramic Society , 1946, sv.  29, s.  240-253
  17. Frédéric Chambat, „  Viskozita ledovce a pásem Forbes, malá zábava z mechaniky geofyzikálních tekutin  “ , na http://frederic.chambat.free.fr , ENS Lyon
  18. (in) „  Glass-Viscosity-Fixpoints  “ na https://glassproperties.com
  19. (in) Juejun Hu, „  Viskozita skla (přehrávání TIM)  “ , na https://ocw.mit.edu
  20. (in) J. David Musgrave, Juejun Hu Laurent Calvez, Springer Handbook of Glass , Springer,10. září 2019
  21. Philip Gibbs, „Je sklo pevná nebo kapalná?“ » , Říjen 1996.
  22. JC Maxwell, Philos. Trans. 157 (1867) 49.
  23. „ Nejasná povaha skla“ na cnrs.fr
  24. Aurélien Ledieu, prosakují brýle? , Pour la vědu , n o  383, září 2009, str.  20
  25. „  Selen 1. Allotropy a fyzikální vlastnosti  “ , na universalis.fr
  26. (in) Dotvarování selenu blízko teploty skla [PDF] na polymerphysics.net
  27. (en) Böhmer, R. a Angell, CA, Elastické a viskoelastické vlastnosti amorfního selenu a identifikace fázových přechodových kruhových a řetězových struktur , Physical Review B , 1993, 48, 5857-5864
  28. Perez Jo , Nekrystalické materiály a věda o nepořádku , PPUR,2001, 557  s. ( ISBN  978-2-88074-485-4 , OCLC  49287083 , číst online )
  29. M. Descamps, „  Amorfní a skelné stavy molekulárních a farmaceutických sloučenin - obecné vlastnosti  “, Inženýrské techniky ,2017
  30. Alain Hedoux, „  Lyofilizace farmaceutických a biofarmaceutických produktů  “, Inženýrské techniky ,10. září 2013
  31. (in) Tomaž Einfalt Odo Planinsek a Klemen Hrovat , „  Metody amorfizace a vyšetřování amorfního stavu  “ , Acta Pharmaceutica , sv.  63, n o  3,1 st 09. 2013( ISSN  1846-9558 , DOI  10.2478 / acph-2013-0026 , číst online , přístup k 4. lednu 2018 )
  32. Jean Phalippou, „  Sklo - teoretické aspekty  “, technické techniky ,10. července 2001
  33. Nicolas Dujardin, vitrifikace glukózy v pevné fázi a zvládnutí mutarotace , Villeneuve d'Ascq, Université Lille1 - vědy a technologie,8. prosince 2009, 270  s. ( číst online ) , s.  72
  34. „  http://fr.saint-gobain-glass.com.im-extra-web2-natpub.sgg.lbn.fr/sites/fr.saint-gobain-glass.com.im-extra-web2-natpub. sgg.lbn.fr/files/386_verre_et_rayonnement.pdf  » ( Archiv • Wikiwix • Archive.is • Google • Co dělat? ) [PDF] , na saint-gobain-glass.com
  35. (in) Femtosekundová ultrafialová autokorelační měření jsou založena na dvoufotonové vodivosti v kondenzovaném oxidu křemičitém [PDF] na dopisech Optic , 15. května 1998
  36. Úvod do luminiscence materiálu [PDF] , na pcml.univ-lyon1.fr
  37. (en) Mřížková absorpce při čtení. Ac.uk
  38. Vibrace sítě chrisalin: Phonons [PDF] , na ief.u-psud.fr
  39. (v) Davis, KM a Tomozawa, M., "  Water difúze do křemenného skla: Strukturální výměna v křemičitého skla a jejich vliv na rozpustnost ve vodě a difuzivity  " , v Journal Non-Crystalline Solids , n o  185,1995, str.  203-220
  40. Haussonne, JM, Keramika a brýle: principy a techniky zpracování , sv.  16, PPUR,2005, str.  410–
  41. (in) Cohen, HM a Roy, R., zahuštění skla při velmi vysokém tlaku [PDF] , Phys. Chem. Glasses , 1965, 6 (5), 149-61, na htracyhall.org .
  42. (in) Fenomén prasknutí a toku v pevných látkách [PDF] , Philosophical Transaction of the Royal Society, sv.  A221, str.  163-98 , na cmse.ed.ac.uk
  43. Houževnatost standardních materiálů podle jejich meze kluzu , na nature.com
  44. (en) Studium subkritického šíření ve vlákně Deverre relaxací zátěže, M. R'Mili, N. Godin, J. Lamon [PDF]
  45. Oussama YOUSFI, Fázové transformace sulfidů niklu v tvrzených sklech , POLYTECHNIQUE INSTITUT OF GRENOBLE, TÉMA k získání titulu LEKÁŘ Polytechnického institutu v Grenoblu: „Materiály, mechanika, stavební inženýrství, elektrochemie“,4. června 2009( číst online )
  46. Nicolas Vandenberghe a kol. , Star-jako trhliny může odhalit rychlosti kuličky „starburst fraktury může pomoci soudní znalci prasknout krabici“ , New Scientist , n O  2915, str.  17. května 4. května 2013 (přístup k 5. května 2013)
  47. The Slow Mo Guys , „  Jak rychle praskne sklo? - The Slow Mo Guys  ” (přístup 15. prosince 2018 )
  48. Michel F. Ashby a DRH Jones, Matériaux , Dunod , kol.  "Sup Sciences",devatenáct osmdesát jedna.
  49. (de) Horst Küchling, Taschenbuch der Physik , Frankfurt, Harri Deutsch Verlag,1985.
  50. G. Pissarenko a kol. „ Kontrolní seznam pevnosti materiálu , Moskva, vyd. Mir,1979.
  51. Výpočet vlastností skla na glassproperties.com
  52. (in) NT a AD Huff Call, Computer Prediction of Glass Compositions from Properties , J. Am. Ceram. Soc. , sv.  56, 1973, str.  55-57.
  53. (in) SciGlass - Informační systém o vlastnostech skla na sciglass.info
  54. (in) „Interglad Ver. 8 ” , 29. března 2019, na newglass.jp (přístup 30. července 2019)
  55. (en) R. Ravinder, Karthikeya H. Sreedhara, Suresh Bishnoi, Hargun Singh Grover, Mathieu Bauchy, Jayadeva, Hariprasad Kodamana, NM Anoop Krishnan, „  Deep LearningAided Rational Design of Oxide Glasses  “ , na https: // arxiv .org ,25. prosince 2019(zpřístupněno 23. května 2020 )
  56. (in) Han Liu, Zipeng Fu, Kai Yang, Xu Xinyi, Mathieu Bauchy, „  machine learning for glass science and engineering: A review  “ , of Non-Crystalline Solids Journal: X , svazek 4, prosinec 2019, str.  100036 ( číst online )
  57. Když sklo kuje skořápku: něco nového v rozsivkách, na cnrs.fr
  58. Biologické sklo inspiruje chemiky [PDF] , na bio-nica.info
  59. (in) V. Bouska, Natural Glasses , Ellis Horwood Series in Applied Science and Industrial Technology,1993( ISBN  978-0-7458-0564-1 )
  60. (en) Fudali. R, „  Oxidační stav železa v tektitových sklech  “ , Geochemica et Cosmochimica Acta , sv.  51,1987, str.  2749-2756
  61. Fluoridové sklo , na pácerefluore.com
  62. Výroba skla
  63. Slovník Larousse , „plovoucí“
  64. Brýle pro solární aplikace
  65. Solární energie: postupuje směrem k průhlednému sklu
  66. Bureau, B. a Lucas, J, Brýle a optika , Bulletin of the Union of Physicists (BUP), 2006, 100, s.  581-598
  67. Kouzlo chalkogenidových brýlí
  68. Vysoké zabezpečení knihy , záznamy výzkum , n o  48, v dubnu 2012, technologie notebooky, p.  86-87
  69. Asahi Glass Co představuje nejtenčí skleněný substrát pro dotykové obrazovky na světě , fr.akihabaranews.com
  70. Den ze skla 2, nová vize budoucnosti , na nowhereelse.fr
  71. Liquidmetals
  72. Kate Newby, příspěvek Wild was the night (fusing) to OTIUM # 4 , 28. května - 11. srpna 2019, IAC , kartel (přístup 10. července 2019). Umělecký projekt zavést náhodou díry a defekty průhlednosti a defekty plochosti v tabulkách nahrazujících tabule muzejní terasy (několik tabulí explodovalo během transportu z dílny uměleckého skla).
  73. „Ohýbání skla“ , na verreonline.fr
  74. İlker Bekir Topçu a Mehmet Canbaz, Vlastnosti betonu obsahujícího odpadní sklo Cement and Concrete Research , sv.  34, n o  2, únor 2004, str.  267–274
  75. Caijun Shi a Keren Zheng, Přehled o používání odpadních skel při výrobě cementu a betonu , Zdroje, konzervace a recyklace , sv.  52, n o  2, prosinec 2007, str.  234–247
  76. Terro, MJ (2006), Vlastnosti betonu vyrobeného z recyklovaného drceného skla při zvýšených teplotách , Building and Environment , 41 (5), 633-639
  77. Seung Bum Park, Bong Chun Lee a Jeong Hwan Kim, Studie mechanických vlastností betonu obsahujícího odpadní skleněné kamenivo , Cement and Concrete Research , sv.  34, n o  12, prosinec 2004, str.  2181–2189
  78. Disfani, MM, Arulrajah, A., Bo, MW a Sivakugan, N. (2012), Environmentální rizika používání recyklovaného drceného skla v silničních aplikacích [PDF] , Journal of Cleaner Production , 20 (1), 170-179, 11  str.
  79. Ademe, „  Technický list společnosti Ademe na Zásilce pro balení nápojů  “ , Ademe ,22. listopadu 2011(zpřístupněno 17. srpna 2012 )

Podívejte se také

Související články