Le côté composite des verres

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décembre 2017
Barrette de verre sur son support de torture. La propagation des fissures par rapport aux cristaux sera ensuite observée au microscope électronique à balayage.
Fabrice Célarié

Des chercheurs en mécanique des matériaux luttent contre le côté lisse du verre pour créer des composites innovants.

Le verre est par nature une matière homogène, amorphe disent les scientifiques. Alors, ce matériau peut-il être composite, c’est-à-dire contenir autre chose ? Oui ! Répondent de concert deux doctorants du département Mécanique et verres de l’Institut de physique de Rennes(1). Dans le cadre de leurs thèses(2), Julien Moriceau et Tanguy Lacondemine n’ont qu’un objectif : concevoir des verres innovants, dotés de nouvelles propriétés en testant de nouvelles manières de les fabriquer. « Et sans les fragiliser plus qu’ils ne le sont, précise Tanguy Lacondemine. Quand nous obtenons un verre composite, nous travaillons sur les deux aspects : nous testons ses propriétés mais aussi sa structure. »

Comme les plaques en vitrocéramique

Le plus connu des verres composites est la vitrocéramique, composée de parties amorphes et de cristaux, obtenus en réchauffant le verre. C’est le mélange entre les parties homogènes et les parties cristallines du verre qui fait que ce matériau est capable d’absorber des différences de températures sans casser. Julien Moriceau applique cette technique du réchauffage à la fabrication des verres mécanoluminescents, c’est-à-dire capables de produire une lumière verte (photoluminescence) quand on appuie dessus(3). Il a poursuivi les travaux d’une ancienne doctorante(4), qui dispersait dans du verre en fusion une poudre mécanoluminescente pour créer un composite. « Mais la répartition des cristaux n’était pas toujours homogène, explique Julien Moriceau. C’est pourquoi nous avons eu l’idée de la technique des vitrocéramiques. Les cristaux apparaissent alors directement de façon aléatoire dans le verre. » Plus facile à dire qu’à faire : leur synthèse reste complexe. Il aura fallu presque deux ans à Julien pour les fabriquer. Tout ça pour qu’au final... son collègue Tanguy les casse ! C’est le prix à payer pour tester les propriétés mécaniques.

Il suit la torture en direct

Tanguy Lacondemine commence quand même par une phase de modélisation, où l’objectif est de déterminer, a priori, si la présence de ces cristaux tend à augmenter ou non la résistance du matériau face à la propagation de fissures. Puis, il s’en prend aux verres eux-mêmes. Il travaille sur des échantillons à la géométrie maîtrisée : de quelques millimètres d’épaisseur, ou de la forme de barrettes, selon des protocoles très normalisés. L’indentation, qui consiste à appuyer très fort sur le verre avec un morceau de diamant, est, par exemple, un essai couramment utilisé par les mécaniciens des verres, et comporte donc beaucoup de références. Mais ce n’est pas tout : Tanguy Lacondemine observe les effets de la torture en direct ! Grâce à la tomographie (aux rayons X), une sorte de scanner des verres, rarement utilisée dans ce contexte, il peut suivre, en direct et en 3D, le chemin des fissures. « J’essaye de voir si les cristaux présents à l’intérieur du composite ont une influence sur la propagation des fissures : ont-ils tendance à les attirer et les bloquer ? Ou au contraire, à les repousser, favorisant ainsi la propagation ? »

Ces recherches sont encore à un stade très fondamental. Les deux doctorants ne se préoccupent pas des applications. Leurs travaux permettent de connaître le champ des possibles, dont les industriels peuvent ensuite s’emparer. Saint-Gobain utilise déjà, dans certains bâtiments, un verre capable de changer de couleur quand il est traversé par un courant électrique. À quand des objets en verre photoluminescent ?

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Nathalie Blanc

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