Le verre est un solide amorphe obtenu par la fusion de la silice avec un oxyde basique. Bien que ses atomes ne se disposent jamais dans un ordre cristallin, l’espacement atomique dans le verre est serré. Le verre se caractérise par sa transparence, sa dureté aux températures atmosphériques et son excellente résistance aux intempéries et à la plupart des produits chimiques, à l’exception de l’acide fluorhydrique.
La plupart des verres sont basés sur le système des silicates et sont fabriqués à partir de trois constituants principaux : la silice (SiO), la chaux (CaCO3) et le carbonate de sodium (NaCO3). Divers oxydes sont ajoutés pour adapter les propriétés du verre à des besoins spécifiques.
Les verres non silicatés, qui ne représentent qu’environ 5 % de tout le verre produit (à l’exclusion des vitrocéramiques, décrites dans le chapitre Céramiques techniques), comprennent les verres de phosphate (qui résistent à l’acide HF), les verres de borate de terres rares (pour un indice de réfraction élevé), les verres absorbant la chaleur (fabriqués avec FeO) et les systèmes basés sur les oxydes d’aluminium, de vanadium, de germanium et d’autres métaux. Presque tous les verres peuvent être classés dans l’un des six types de base, en fonction de leur composition chimique. Dans chaque type, à l’exception de la silice fondue, on trouve plusieurs compositions distinctes.
Le verre sodo-calcique, le type le plus courant, est le verre des bouteilles, des fenêtres, des ampoules et des verres à boire. Sa composition est similaire à celle du tout premier verre fabriqué par l’homme — un mélange d’oxydes de silicium, de calcium et de sodium. Environ 90 % du verre fondu aujourd’hui est sodocalcique (ou simplement « calcaire », comme on l’appelle communément). Ce verre peu coûteux est facilement transformé en une grande variété de formes. La résistance aux températures élevées et aux changements brusques de température est faible, et la résistance aux attaques chimiques n’est que passable.
Le verre borosilicate, le plus ancien type de verre à avoir une résistance appréciable aux chocs thermiques et aux températures plus élevées, a également une excellente résistance aux attaques chimiques. Dans cette structure de verre, la première à porter la marque Pyrex, une partie du SiO″ est remplacée par de l’oxyde borique.
Le verre borosilicate a un faible coefficient de dilatation thermique et est, de ce fait, adapté aux miroirs de télescopes et autres pièces de précision. De plus, comme ce verre peut résister aux chocs thermiques, il est utilisé pour les articles de four et de laboratoire, les lentilles de phares et les verres de jauge de chaudière. La plupart des verres borosilicatés ont une meilleure résistance aux acides que les verres sodocalciques, mais une faible résistance aux alcalis. Les fibres de verre utilisées pour renforcer les composés plastiques sont un verre borosilicate modifié.
Le verre plomb-alcalin, ou verre au plomb, contient du monoxyde de plomb, PbO, pour augmenter son indice de réfraction. Ce verre est un meilleur isolant électrique que les verres sodocalciques ou borosilicatés. Le verre au plomb est utilisé pour des applications optiques telles que les prismes et les lentilles et comme bouclier contre les radiations atomiques. Il est facile à travailler et convient bien aux opérations lentes et manuelles. En raison de son éclat naturel, le verre au plomb est utilisé pour la vaisselle en cristal fin. Comme le verre de chaux, le verre au plomb résiste mal aux hautes températures et aux chocs thermiques.
Le verre d’aluminosilicate (dans lequel une partie de l’alumine, Al2O3, remplace la silice) est un autre verre résistant aux chocs thermiques, similaire au borosilicate mais capable de supporter des températures de fonctionnement plus élevées. Ces verres résistent également aux attaques chimiques et sont de bons isolants électriques. Les verres d’aluminosilicate conviennent aux applications à haute performance telles que les thermomètres à haute température, les fenêtres des véhicules spatiaux et les tubes d’allumage. Revêtus d’un film conducteur d’électricité, ils sont utilisés comme résistances dans les circuits électroniques critiques. Les aluminosilicates coûtent environ trois fois plus cher que les borosilicates et sont sensiblement plus difficiles à fabriquer.
Le verre de silice à 96 % est un verre très résistant à la chaleur fabriqué à partir de verre borosilicate par un procédé propriétaire (Corning Glass Works). Ce verre peut être formé plus facilement et dans plus de formes que la silice fondue. Ses propriétés sont si proches de celles de la silice fondue qu’il est parfois utilisé comme substitut dans les composants optiques et les fenêtres des vaisseaux spatiaux, où il doit résister à la chaleur de la rentrée dans l’atmosphère terrestre. Elle est également utilisée comme revêtement résistant à la chaleur, notamment sur l’extérieur des navettes spatiales de la NASA. D’autres utilisations comprennent les articles de laboratoire et les composants d’éclairage tels que les tubes à arc des lampes halogènes.
La silice fondue est la seule des six catégories qui contient une composition unique. Ce verre se compose simplement de silice (dioxyde de silicium) à l’état non cristallin, ou amorphe. La silice fondue, le plus cher de tous les verres, offre la résistance maximale aux chocs thermiques ainsi que la température de fonctionnement admissible la plus élevée (900°C pour des périodes prolongées, à 1 200°C pour des périodes courtes). Elle présente également une transmission maximale dans le domaine des ultraviolets et la plus grande résistance aux attaques chimiques de tous les verres. La silice fondue est utilisée dans des applications où les exigences sont extrêmement strictes, comme les ébauches de miroir pour les télescopes astronomiques, les lignes à retard ultrasoniques, les guides d’ondes pour les communications optiques et les creusets pour la croissance des cristaux. La fabrication de la silice fondue est difficile, et le nombre de formes disponibles est, par conséquent, fortement limité.
Ces six types de verre peuvent être regroupés en trois paires. Le sodo-calcique et le plomb-alcali sont appelés verres mous car ils se ramollissent ou fusionnent à des températures relativement basses. Le borosilicate et l’aluminosilicate sont appelés verres durs car ils se ramollissent ou fusionnent à des températures relativement élevées. Et la silice à 96 % et la silice fondue sont les plus durs de tous.
Le plus ancien des verres est la chaux sodée, qui était connue il y a environ 4 000 ans. Le plomb-alcali a été mis au point en 1676, le borosilicate en 1912, l’aluminosilicate en 1936, la silice à 96 % en 1939 et la silice fondue en 1952.
Aujourd’hui, de nombreux produits verriers sont fabriqués à partir de composites, constitués de plusieurs verres de composition différente. La vaisselle à haute résistance est constituée d’un sandwich d’un verre à faible dilatation et d’une âme en verre à haute dilatation. Les fibres de communication optique (guides d’ondes) sont étirées à partir d’une boule constituée de verre dont la composition varie de façon contrôlée. Les fenêtres des véhicules aérospatiaux sont composées de plusieurs vitres, chaque vitre ayant une propriété unique ; les vitres extérieures sont résistantes à la chaleur, les vitres intérieures sont mécaniquement solides.
Les verres photosensibles, bien que n’étant pas considérés comme un type de base, sont disponibles en trois qualités. Le verre photochromique s’assombrit lorsqu’il est exposé à un rayonnement ultraviolet et s’estompe lorsque le stimulus ultraviolet est supprimé ou lorsque le verre est chauffé. Certaines compositions photochromiques restent foncées pendant une semaine ou plus. D’autres s’estompent en quelques minutes après le retrait des ultraviolets. Une utilisation principale des compositions qui s’effacent plus rapidement est dans les verres de lunettes qui s’assombrissent et s’effacent automatiquement lorsqu’ils sont exposés ou retirés de la lumière du soleil.
Le verre photosensible répond également à la lumière, mais d’une manière différente du verre photochromique. Lorsqu’il est exposé à l’énergie ultraviolette puis chauffé, le verre photosensible passe du transparent à l’opale. Lorsque l’exposition aux UV est effectuée à travers un masque, le motif du masque est reproduit dans le verre. L’image développée est permanente et ne s’estompe pas, comme le ferait une image similaire dans un verre photochromique. Le verre photosensible exposé et opalisé est beaucoup plus soluble dans l’acide hydrofluidique que le verre non exposé. L’immersion dans cet acide produit des formes, des dépressions ou des trous par gravure de ces zones exposées et développées.
Les verres photochromiques sont des verres photosensibles en couleur. Développés en 1978 par les laboratoires Corning Glass Works, leurs caractéristiques impliquent des applications telles que le stockage d’informations, les objets décoratifs, les fenêtres, ou autres transparents, et les récipients. Les verres photochromiques ont une véritable permanence des couleurs.