Le verre dans le batiment

1-Introduction :

Le verre a connu, ces dernières décennies, une évolution technologique spectaculaire dans le secteur du bâtiment. Il est ainsi passé de la simple vitre au vitrage possédant de multiples propriétés tel la résistance mécanique, sécurité, isolation thermique et acoustique, contrôle solaire et décoration.

Les exigences du domaine de bâtiment au niveau de la consommation énergétique de la construction, ses résistances aux différents agents climatiques, son coté esthétique et la commodité de son entretien, nous pousse à bien choisir les bons matériaux pour la réaliser. Grace à ses qualités obtenues lors de sa transformation, le verre se voit un matériau de valeur qui pourra satisfaire aux exigences citées.

En effet, le dépôt de couche d'oxydes sur le verre lui offre de des nouvelles propriétés, ainsi le verre acquit des nouvelles fonctionnalités ; on cité l'autonettoyant pour l'oxyde de titane, l'electrochrome pour l'oxyde de tungstène et autre fonctionnalités.

De même le verre feuilleté, se caractérisant par sa résistance mécanique élavée, donne à la structure un aspect sécuritaire, il est efficace contre les actes de vandalisme et en se brisant, le risque de blessure et bien amorti.

Le vitrage isolant se distingue comme étant la solution pour une consommation économique de l'énergie d'une maison ; aussi, son isolation acoustique assure une sérénité totale, ce qui lui ouvre le champ pour son utilisation dans des édifices spéciaux comme les hôpitaux, écoles...etc.

Avec tous ses avantages, et les bénéfices qu'il apporte au monde de la construction, le verre reste un matériau indifférencié dans notre pays ; et pourtant, son utilisation chez nous s'avère de plus en plus nécessaire.

2- Généralités sur le verre

2.1- définition du verre :

Plusieurs définitions peuvent être données pour un verre. Par exemple, l'Encyclopedia Universalis (Reyches, 1989) rapporte de nombreuses définitions du verre selon différents points de vue :

> Définition courante : solide obtenu par le figeage d'un liquide ;

> Définition structurale : un verre est un solide non cristallin.

On peut aussi dire que le verre est formé par un assemblage tridimensionnel désordonné de groupements structuraux fondamentaux, semblables à ceux de l'état cristallin ;

> Définition thermodynamique : il s'agit d'un matériau hors d'équilibre, dont l'énergie est supérieure à celle des produits cristallisés correspondants et dont le retour à une situation plus stable (cristallisation) ne peut pas se faire qu'après des durées considérables.

Selon l'American Society for Testing Materials (1945), le verre est un matériau inorganique produit par fusion, qui a été refroidi dans des conditions qui ont empêché sa cristallisation. D'après Zarzycki (1982), un verre est un solide non cristallin présentant une transition vitreuse. Et selon Sholze (1991), le verre est un liquide surfondu figé.

La modalité de solidification d'un verre est très différente de celle de la silice cristalline. Lorsqu'on refroidit de la silice fondue, elle cristallise à une température donnée (température de cristallisation : Tc). En revanche pour un verre, pendant un intervalle dit de transformation (entre Tt et Tc), on assiste à un passage progressif par des états de viscosité différents, de l'état liquide vers l'état vitreux. Dans cet intervalle, le verre se comporte comme un liquide surfondu. Tt est définie comme la Température de transition ; pour un verre silicaté il s'agit de la température à laquelle la viscosité est voisine de 1013 poises (Zarzycky, 1982).

2.2- Structure et vitrification :

2.2.1- Critère de GOLDSCHMIDT :

En cherchant les conditions de vitrification pour les oxydes simples de formule stoechiométrique AmOn, Goldschmidt a cru que le critère pouvait être le rapport rA/r0 des rayons ionique du cation et de 1 ' oxygène ; pour les oxydes formant des verres, ce rapport devrait être compris entre 0,2 et O, 4. Or d'après les considérations classiques de cristallochimie, pour des structures ioniques, ce rapport est en relation directe avec le nombre de coordination du cation central, d'où l'intervalle proposé implique donc une coordination tétraédrique. [1]

2.2.2- Règles de ZACHARIASEN :

Un examen plus complet de différents cas montre que le critère de Goldschmidt est insuffisant : l'oxyde de BeO par exemple qui pourtant satisfait au critère étant impossible à vitrifier. Zachariasen a repris le problème et, par un raisonnement empirique, a établi un ensemble de règles qui ont eu un retentissement considérable sur la recherche verrière. Son analyse était fondée sur la considération suivante :

a) les forces de liaisons interatomiques dans le verre et dans le cristal doivent être semblable, étant donné les propriétés mécaniques voisines des deux types de solides.

b) comme les cristaux, les verres doivent être formés par un "réseau" tridimensionnel étendu, mais le caractère diffus des spectres de diffraction X montre que ce réseau n'est pas symétrique et périodique comme dans les cristaux, c'est à dire qu'il n'y a pas d'ordre à longue distance.

Le désordre du réseau introduirait une distribution des forces de liaison ; leur rupture progressive au chauffage expliquerait la décroissance graduelle de la viscosité. Le désordre expliquerait de plus un contenu énergétique supérieur à celui du cristal.

Zachariasen a montré qu'un oxyde formant un verre devrait satisfaire à l'ensemble des règles suivantes :

1. - le nombre d'oxygènes entourant 1 'atome cation doit être petit,

2.- aucun oxygène ne doit être lié à plus de deux cation A.

3.- les polyèdres peuvent avoir des sommets communs mais pas d'arrêtes ni de faces communes.

4. - au moins trois sommets de chaque polyèdre doivent être partagés avec d'autres polyèdres.

Zachariasen a ensuite passé en revue les possibilités de vitrification suivant la stoechiométrie de l'oxyde. Les oxydes A2O ou AO ne peuvent satisfaire aux règles précédentes et ne devraient donc pas former de verres. Et effectivement, aucun des oxydes des éléments des groupes I et II ne forme de verre.

Les règles 2, 3 et 4 sont satisfaites :

a) dans les oxydes _A2O3 lorsque les oxygènes formant des triangles autour des atomes A.

b) pour les oxydes AO2 et _A2O5 lorsque les oxygènes forment des tétraèdres.

c) pour les oxydes AO3, _A2O7 lorsqu'ils forment des octaèdres.

Ne connaissant pas d'exemple de formation de verre dans ce groupe, Zachariasen a conclu que seuls les arrangements triangulaires et tétraédriques satisfaisant aux conditions de la règle 1 qu'il a rendue plus spécifique : « le nombre des oxygène entourant A doit être 3ou 4«.

En examinant systématiquement les propriétés de coordinence des cations dans différentes oxydes cristallisés ; zakariassen a conclu que seul _B2O3, SiO2, GeO2, P2O5, As2O5 ^et _As2O3 ont été réellement vérifiés. Ils satisfont tous aux règles. La structure de SiO2 et GeO2 étant basée sur des tétraèdres (AO4) et celle de _B2O3 ^et _As2O3 sur des triangles (AO3) [1].

2.2.3- La transition vitreuse

Le phénomène de la transition vitreuse est bien illustre par l'évolution du volume en fonction de la température. La figure () montre schématiquement l'exemple d'un liquide suffisamment visqueux à TL pour franchir cette température sans cristalliser. On voit sur cette figure que le volume au-dessous de TL se situe d'abord dans l'extrapolation des valeurs qu'il prend au-dessus de TL.

Mais a la température TG ou la viscosité atteint environ 10¹² Pa.S., il y a une diminution significative de la pente de la courbe de variation qui devient proche de celle que présente le solide cristallise.

En revanche à cette température TG on n'observe pas de changement brutal du volume comme c'est le cas lorsqu'il y a passage de l'état liquide à l'état solide. Ceci montre qu»il n'y a pas de variation structurale au passage de TG. La substance obtenue au-dessous de TG, qui a la structure du liquide mais les propriétés du solide, est le verre.

La transition vitreuse s'observe aussi en suivant les variations, en fonction de la température, de diverses propriétés comme l'indice de réfraction, l'enthalpie, la conductivité électrique : on constate systématiquement a TG un changement de la pente de la courbe représentative de la propriété en fonction de T [2].

Figure 1. Genèse de l'état vitreux

2.3- Les propriétés du verre :

2.3.1- Propriétés rhéologiques

2.3.1.1- Viscosité :

La viscosité peut être définie comme le frottement interne des liquides. Elle est mesurée en poise, le poise étant la viscosité dynamique d'un liquide opposant une résistance d'une dyne au glissement dans son plan d'une surface plane d'un centimètre carré, avec un gradient de vitesse d'un centimètre par seconde et par centimètre.

Elle est désignée, par la lettre grecque ç. Son inverse, utilisé dans certains calculs, y, est la fluidité. La viscosité est la caractéristique la plus importante des verres. Sa connaissance est indispensable à leur élaboration et à leur utilisation. Elle conditionne, en particulier, tous les procédés de façonnage. Quelques valeurs de viscosité exprimées en logarithme décimal et les températures correspondantes.

Figure 2.Variation de la viscosité en fonction de la température. Tableau1 : Points fixes de viscosité.

Points Fixes	log ç (ç en Pa.s)	Opération technique
Température de fusion	1	Fusion et affinage
Température de travail	3	Cueillage, moulage, étirage, laminage, soudure
Température de ramollissement	6,65	Soufflage (Littleton)
Température de ramollissement dilatométrique (point R)	10	Sortie de moule
Annealing point	12	Début de recuisson
Point S (transition vitreuse)	12
Strain point	13,5	Fin de recuisson
Point I	15

2.3.1.2- La tension superficielle :

Au sein d'un liquide ou d'un solide isotrope, l'ensemble des forces de liaison auxquelles est soumis un atome ont une résultante nulle alors que celles qui agissent sur un atome situe a la surface libre ont une résultante f non nulle dirigée vers l'intérieur.

Par conséquent pour accroitre l'aire de la surface libre il faut fournir un travail pour transférer les atomes de l'intérieur vers la surface, en s'opposant à la force f. On admet que si la surface libre d'un système thermodynamique augmente de dA, son énergie libre augmente de :

dW = ó .dA.

Le facteur de proportionnalité ó entre le travail dépense et l'accroissement de la surface se nomme « énergie de surface « ou « tension superficielle « et s'exprime en J.m^-2.

2.3.2- Propriétés électriques

2.3.2.1- Conductibilité électrique :

Le passage du courant dans un matériau, ou phénomène de conduction électrique est caractérisé par la conductivité définie par la relation :

P = ó E

Où P est la densité de courant et E le champ électrique appliqué.

Dans le cas d'un matériau isotrope comme le verre, ó est un scalaire, l'inverse de ó est la résistivité ò. Les unités et sont respectivement m et (em) -1. La conductivité des verres dépend essentiellement de leur nature .A la température ambiante, la plupart des verres d'oxydes sont des isolants types, leur conductivité étant de l'ordre de 10 - 17 à 10 - 5 (em) - 1.

2.3.3- Propriétés mécaniques

2.3.2.1- La dureté :

La dureté en général est la résistance d'un solide à la pénétration d'une pointe, d'une bille d'un outil, c'est à dire à la déformation de la surface. Dans l'industrie verrière, la dureté est une des propriétés les plus importantes, c'est une grandeur qui nous détermine les verres durs et les verres tendres.

Pour différencier les verres à faible coefficient de dilatation qui se ramollissent à température élevée (verres durs), des verres à coefficient de dilatation élevée (supérieur à 50.10-7) qui se ramollissent à température relativement basse (verres tendres).

Le classement des verres, au point de vue de la dureté dépend de la méthode d'essai. Ces différentes méthodes : rayures, abrasion, empreinte reposent sur des principes différents, elles conduisent donc à des résultats qui ne sont pas comparables. D'autres essais tel que celui du célérimètre ont été faits pour établir un classement plus précis.

Ce classement se base soit sur la valeur de la force nécessaire pour créer une rayure de dimension donnée, soit sur les dimensions d'une rayure créé sous l'effet d'une donnée.

2.3.2.2- Densité

La densité du verre est de 2,5, soit une masse de 2,5 kg par m2 et par mm d'épaisseur pour les vitrages plans. La masse volumique, exprimée dans le système d'unités légal, est de 2 500 kg/m3. Un m² de verre 4mm a donc une masse de 10 kg

2.3.2.3 - Résistance à la compression

La résistance du verre à la compression est très élevée : 1000 N/mm2 ou 1 000MPa. Ceci signifie que, pour briser un cube de verre de 1 cm de côté, la charge nécessaire est de l'ordre de 10 tonnes.

2.3.2.4 - Résistance à la flexion

Un vitrage soumis à la flexion a une face en compression et une face en extension. La résistance à la rupture en flexion est de l'ordre de : 40 MPa (N/mm2) pour un verre float recuit ; 120 à 200 MPa (N/mm2) pour un verre trempé (suivant épaisseur, façonnage des bords et type d'ouvrage). La valeur élevée de la résistance du verre trempé (SGG SECURIT) est due au fait que son traitement met les faces du vitrage en forte compression.

2.3.2.5- Élasticité

Un corps solide subit une déformation sous l'action d'une force de déformation, si cette déformation disparaît par suppression de la force, le corps est appelé élastique. La loi de HOOK exprime que la déformation D est proportionnelle à la contrainte ó appliquée.

ó = E.D

Le verre est un matériau parfaitement élastique : il ne présente jamais de déformation permanente. Il est cependant fragile, c'est-à-dire que, soumis à une flexion croissante, il casse sans présenter de signes précurseurs.

2.3.2.6- Module de Young, E

Ce module exprime la force de traction qu'il faudrait théoriquement appliquer à une éprouvette de verre pour lui communiquer un allongement égal à sa longueur initiale. Il s'exprime en force par unité de surface. Pour le verre, selon les normes européennes :

E = 7x1010 Pa= 70 GPa.

2.3.2.7- Coefficient de Poisson :

Lorsqu'une éprouvette subit un allongement sous l'influence d'une contrainte mécanique, on constate un rétrécissement de sa section. Le coefficient de Poisson Ó est le rapport entre le rétrécissement unitaire sur une direction perpendiculaire au sens de l'effort et l'allongement unitaire dans la direction de l'effort. Pour les vitrages du bâtiment, la valeur du coefficient Ó est de 0,2.

2.3.4- Les propriétés thermiques

Les propriétés thermiques sont directement liées aux changements de température. Ce sont essentiellement : la chaleur spécifique, le coefficient de dilatation thermique et la conductivité thermique.

2.3.4.1- La chaleur massique

Dans la pratique, la grandeur la plus utile est la chaleur massique c qui est la quantité de chaleur qu'il faut apporter a un kilogramme de la Substance pour élever de un degré sa température.

La chaleur massique c varie peu d'un verre a l'autre ; pour un verre sodocalcique Au-dessous TG, c varie en fonction de la température suivant l'équation empirique :

c = 909,81 + 0,34682 T - 1,7641.107 T-2 [6]

c étant exprime en J.kg^-1.K^-1 et T en K. A 300 K on trouve c = 818 J.kg^-1.K^-1.

Figure3. La chaleur spécifique d'un verre sodo-calcique en fonction de la température

2.3.4.2- La conductivité thermique :

La conductivité thermique mesure la capacité d'un matériau conduire la chaleur. Elle définit comme le rapport du flux de chaleur au gradient de température ; elle est mesurée en joules par seconde par mètre carré de surface d'un corps pour une différence de température de 1^°C par 1 mètre d'épaisseur. [j/m.s.c].

La conductivité thermique d'un verre à la température ambiante est relativement faible elle est d'environ : 2.926à 5.434 kJ/m.s.c.

Figure 4.dispositif pour la mesure de la conductivité thermique

2.3.4.3- La dilatation thermique :

La dilatation thermique d'un verre joue un grand rôle dans sa résistance au changement de température. Elle dépend beaucoup de la composition en oxydes, on peut en calculer approximativement la valeur à partir de la composition chimique. Actuellement elle est mesurée à l'aide de dilatomètre. [4]

Tableau 2.dilatation thermique de quelques verres.

Type du verre	á °C 10^-7
verre plat	80-90.
Verre borosilicate	80
vycore	8

2.3.5- Propriété optique :

2.3.5.1- Transparence :

La transparence d'un verre est une notion liée à la transmission optique définie par la loi de Beer Lambert :

Avec I0 intensité d'un rayon entrant dans un volume, défini à l'intérieur du verre, d'épaisseur x, I intensité du rayon émergeant. á est le coefficient d'absorption qui est relié à l'indice d'absorption K par :

Si la transmission est mesurée au travers d'un volume de matière, l'intensité transmise est plus faible en raison des pertes par réflexion sur les faces d'entrée et de sortie. Dans le cas où le rayon lumineux entrant est sous incidence normale.

Où R exprime la réflexion :

n' : est le rapport entre l'indice de réfraction du verre et celui du milieu environnant. Dans le domaine du visible, K, qui a une très faible valeur, peut être négligé.

n et K sont respectivement les grandeurs réelles et imaginaires de l'indice de réfraction complexe

Ces grandeurs sont les manifestations de l'interaction d'une onde électromagnétique avec des oscillateurs du réseau.

2.3.5.2- L'indice de réfraction du verre :

Il est calculé à partir de la formule :

Où c est la vitesse de la lumière dans le vide, v est la vitesse de la lumière dans le verre. Le verre étant un matériau diélectrique, l'indice de réfraction complexe est relié à la permittivité relative complexe.

À l'aide de cette expression et de l'équation du mouvement pour un oscillateur harmonique simple, on peut calculer les évolutions de n et K en fonction de la fréquence.

Figure 5.évolution de l'indice de réfraction et de l'absorption du verre en fonction de la
fréquence ou de la longueur d'onde de la lumière incidente.

2.3.5.3- La transmission

La transmission est l'aptitude d'un verre à laisser passer la lumière. Le coefficient de transmission d'un verre de lunettes est le rapport entre la lumière émergente et la lumière incidente. Le coefficient de transmission est plus élevé sur un verre de lunettes traité contre les reflets que sur un verre non traité.

L'indice de réfraction n varie brutalement lorsque la fréquence de la lumière incidente devient proche de celle correspondant à la résonance de l'oscillateur. Pour cette fréquence, l'absorption est maximale. La transmission optique décroît lorsque l'indice augmente en raison des réflexions déjà mentionnées. La perte par réflexion est particulièrement importante pour les verres de chalcogénures qui, bien que transparents dans le domaine de l'infrarouge, ont un indice élevé [5].

Figure 6.Situation du spectre de transmission du verre par rapport aux spectres des
rayonnements solaire et terrestre et à la lumière visible

2.3.6- Propriétés chimiques :

Les verres sont généralement considérés comme des matériaux résistants bien aux différents agents chimiques. Pour cette raison, ils sont utilisés à la fabrication des contenants destinés au stockage et au transport des denrées alimentaires, des produits chimiques et pharmaceutiques ; on les utilise généralement dans l'industrie, en milieu corrosif sous forme de : verre de regard, canalisation, appareils à distiller, ... etc.

Cependant, tous les verres n'ont pas la même résistance aux agents chimiques et il est indispensable d'arrêter un choix judicieux sur un verre, de bien connaître son comportement aux différentes attaques possibles à l'eau, alcaline, acide [5].

2.3.6.1- Mécanisme de l'attaque :

L'eau est susceptible d'hydrolyser le verre, les ions H⁺ prend la place des ions Na⁺ ou Ca2 + qui passent en solution aqueuse. Il se forme à la surface du verre un gel de silice qui peut retenir les ions alcalins et place le verre dans les conditions d'attaque alcaline. Les solutions alcalines peuvent dissoudre la silice elle même, de sorte que l'attaque est plus rapide que celle de l'eau. La vitesse d'attaque est sensiblement constante et elle est une fonction exponentielle de la température et du pH. L'acide fluorhydrique agit de la même façon. Les acides ordinaires dissolvent seulement les alcalins et alcalino-terreux, de sorte qu'ils ne peuvent attaquer le verre en profondeur qu'après avoir diffusé à travers le réseau de silice. Ce mécanisme explique le fait que la vitesse d'attaque décroît en fonction du temps.

2.3.6.2- Essai d'altérabilité :

La vitesse de corrosion dépend d'un grand nombre de facteurs de sorte qu'un seul essai d'utilisation réelle peut enseigner exactement sur l'attaque, dans les conditions données. Toutefois, on peut évaluer la résistance moyenne des verres et les classer en les soumettant à des essais normalisés.

a-Attaque à l'eau :

L'eau attaque le verre après un temps très long de contact. Il se produit un phénomène de dévitrification et extraction. L'extraction est la conséquence du contact de l'eau avec la surface du verre. L'attaque par l'eau est beaucoup plus forte aux températures élevées.

La teneur en CaO et en SiO2 joue également un rôle tel que la solubilité de ces corps à température élevée est supérieure à celle des alcalins. Les verres contenant _B2O3 sont particulièrement résistants, mais ce sont les verres quartzeux qui ont la résistance la plus élevée.

b-L'attaque acide :

L'attaque du verre par les acides ne diffère pas de celle par l'eau aux basses températures au début de contact mais dans le cas général, après un certain temps on remarque qu'il y a formation de couches de protection à la surface du verre, il en résulte une diminution de l'attaque, c'est ainsi que l'acide sulfurique forme des couches de protection de BaSO4 sur les verres contenants du baryum ou plomb.

c-L'attaque alcaline :

L'eau et l'acide extraient les substances du verre, tandis que les alcalis la dissolvent. Il n'y pas formation de couches protectrices tout le verre est peu à peu désagrégé. L'action des alcalines caractéristiques des carbonates et des solutions d'ammoniaque est la plus forte, la dissolution de la surface du verre est 100 à 1 000fois plus grande que par l'eau. Les verres les plus sensibles aux alcalis sont ceux qui contiennent beaucoup de _B2O3 ^et _P2O5 ou ZnO et PbO mais peu de SiO2 et de CaO. _Al2O3 augmente généralement la résistance aux alcalins. Un alcalin très faible agit comme l'eau.

3- La fabrication du verre plat

L'idée de produire un verre plat sur un substrat métallique remonte au 19ème siècle. Le premier travail est du à M. Henry Bessemer qui obtint un brevet pour un procédé de production du verre sur un lit de métal fondu. Il évoque la nécessité de travailler en atmosphère réduite afin de prévenir l'oxydation de l'étain. Un prototype plus intéressant, attribuable à la Pittisburg Plate Glass Company, date des années 1920. Le système expérimental prévoyait l'ajout d'un petit bain de métal (étain ou Plomb) au four d'écrémage du verre (Edge, 1992).

Le verre devait être refroidi immergé dans le bain métallique et retiré du bain au moyen d'une série de rouleaux. Bien que construit ce système n'a jamais été productif. Le système de production actuelle se base sur le dispositif breveté par Sir Alastair Pilkington en 1959.

Ce procédé prévoit la production d'un ruban de verre par laminage. Puis ce ruban est déposé sur un bain d'étain fondu. La face en contact avec le métal épouse la planéité de la surface du bain. La face supérieure devient plate par l'action de la tension superficielle qui tend à étaler le ruban. Des critères comme le coût, la toxicité, la pression de vapeur, et l'indifférence chimique avec le verre, ont été fondamentaux pour le choix de ce métal. Actuellement le procédé « float » est le plus utilisé pour produire du verre plat de haute qualité au niveau mondial.

3-1- Les procédés de fabrication du verre plat :

3-1-1- Le procédé Fourcault :

L'étirage d'un ruban de verre par immersion et extraction d'un peigne métallique vertical est simple dans son principe mais présente l'inconvénient que sous l'action de la tension superficielle le ruban vertical à tendance à se rétrécir et de plus son pied n'est pas suffisamment stable. Le procédé Fourcault qui fut exploite a partir de 1913 résolvait ces deux problèmes par l'emploi de la débiteuse et de refroidisseurs [3].

Figure 7. Procédé Fourcault pour le verre plat

La débiteuse est une pièce de réfractaire de 3 m de longueur qui a la forme d'une auge dont le fond comporte une fente longitudinale. Des tiges métalliques verticales permettent de régler l'enfoncement de cette pièce dans le bain. Sous l'action de la pression hydrostatique, le verre jaillit par la fente de la débiteuse, ce qui définit la position du pied de feuille. Les refroidisseurs sont des boites métalliques ou circule de l'eau et qui sont situées au-dessus de la lèvre de la débiteuse.

Ils recueillent le rayonnement émis par les surfaces de la feuille ce qui les refroidit fortement. Ces surfaces sont ainsi figées, ce qui feuille dans un puits d'étirage d'une hauteur de 7 m environ.

Dans la partie supérieure du puits la feuille est découpée en plateaux. Les largeurs de la feuille sont comprises entre 2 m et 2,5 m et les épaisseurs entre 0,5 et 10 mm. La vitesse d'étirage en 2 mm est d'environ 90 m/h [3].

3-1-2- Le procédé Pittsburgh

Les feuilles de verre produites par le procédé Fourcault présentaient parfois des défauts de surface dus au contact de la débiteuse. Le procédé développe a partir de 1925 par la société PPG évite cet inconvénient en utilisant, pour stabiliser la feuille, a la place de la débiteuse, une barre d'étirage (draw bar), pièce rectangulaire en réfractaire possédant une nervure longitudinale et immergée sous environ 10 cm de verre. Des améliorations successives ont permis de produire par ce procédé du verre de bonne qualité pour le vitrage, en largeur de 4 m. La vitesse d'étirage en 2 mm était de 150 m/h.

Figure 8.procédé Pittsburgh pour le verre plat.

3-1-3- Le procédé Libbey-Owens :

Ce procédé, qui a été mis au point par l'Américain Colburn chez Iibbey-Owens, opère d'après une méthode un peu différente. La feuille de verre est étirée hors de la surface du verre comme dans le procédé de Pittsburgh. Elle est étirée verticalement, mais à 65cm de hauteur elle est pliée à l'horizontale sur un rouleau. Le verre est refroidi au-dessus de la débiteuse par des refroidisseurs latéraux. Le rouleau plieur saisit le verre à l'endroit où il est meure plastique au point de pouvoir être plié sans casser, mais aussi de façon que la surface ne puisse pas être endommagée par le rouleau plieur. La bande de verre horizontale passe sur une série de rouleaux travers une longue galerie de recuisson [3].

Figure 9.Procédé Libby_Owens 3-1-4- Le procédé « Float glass »

Dans le procédé « float » inventé par Sir Alastair Pilkington en 1952, un mélange de matières premières est chargé en continu dans le four de fusion. À la sortie du four le verre forme un ruban flottant à la surface de l'étain fondu. La surface de l'étain fondu est extrêmement lisse, donnant au verre une planéité de surface parfaite. Le ruban de verre est ensuite lentement refroidi jusqu'à complet durcissement et recuit. Le ruban ainsi obtenu est d'épaisseur régulière et présente des surfaces parfaitement polies. Le ruban est ensuite découpé en plaques pour livraison.

Ce procédé, que BSN utilisait en France, donnait des carreaux de verre si « parfaits » que ce fabricant lança en 1968 une OPA (ratée) sur son concurrent Saint-Gobain qui ne s'y intéressait pas encore. Aujourd'hui, on ne trouve plus sur le marché que des vitres en « float glass » et ce sont paradoxalement les vitres imparfaites obtenues par les procédés antérieurs qui semblent en gagner un certain charme.

3-1-4-1- Description de la ligne de production du "float glass"

> Préparation de la composition

Ce système concerne les matières premières déjà traitées, il est équipés d'installations de levage, pesage et mélange. L'extraction des poussières est située à l'endroit où la poussière est habituellement produite. Des balances électroniques avec différentes échelles sont adaptées en fonction des quantités nécessaires de matières premières, de calcin de l'usine ou extérieur. L'atelier de composition est prévu pour fonctionner 24 heures sur 24.

Il est cependant dimensionné pour produire la quantité de batch nécessaire en 16 heures, afin de permettre les opérations de maintenance. Des alimentations séparées seront prévues pour (a) le sable, (b) la soude, (c) la dolomie et le calcaire pour empêcher que les matières premières ne se contaminent entre elles.

Les matières premières seront stockées dans les silos de l'atelier de composition et des installations de stockage qui sont prévus pour une capacité de fonctionnement de 72 heures minimum avec un stockage complémentaire au sol d'un mois pour la soude, le sulfate et les autres matériaux.

Figure 10. Dosage en matière première pour le verre plat. > Traitement de sable

Ce poste en option peut être nécessaire en fonction des caractéristiques réelles des matières premières disponibles dans l'usine. Il comprendrait différentes fonctions comme le broyage, le traitement, le séchage, la séparation magnétique et l'homogénéisation du sable. Dans tous les cas, l'installation de traitement de sable doit être définie après analyse du sable et des matières premières disponibles pour le projet.

> Le four de fusion

Construit en briques réfractaires, un four type contient jusqu'à 2000 tonnes de verre fondu à 1550°C. La température est contrôlée en permanence. Un des systèmes les plus employés à ce jour est le pyromètre. Exemple d'installation La fusion du verre pour la ligne « float » sera assurée par un four à régénérateurs à brûleurs transversaux. Le verre fondu est affiné et homogénéisé. Le verre est ensuite conditionné à température contrôlée avant d'arriver au bain d'étain.

Pour assurer un bon fonctionnement, le four est équipé de dispositifs automatiques de mesure, enregistrement et régulation de pression et de niveau de verre, d'un système de minuterie et d'inversion automatique de flamme, d'instruments de mesure, enregistrement et régulation de température en différents endroits du four et d'un dispositif de régulation de pression de gaz naturel. Les fumées sont évacuées par tirage naturel par une cheminée. Pour protéger l'environnement, les fumées passeront par un équipement de dépollution à tirage forcé conçu en fonction de la réglementation locale.

> Bain d'étain

Le processus de formage consiste à étirer ou à comprimer mécaniquement la pâte de verre tout en la solidifiant par refroidissement contrôlé.

En absence de toute contrainte extérieure, le verre s'étalerait en formant sur l'étain liquide un ruban d'épaisseur naturelle de 6,88 mm. Le verre, à une température de 1100°C, se déverse régulièrement sur l'étain en fusion grâce à un système de régulation de débit appelé tweel. La densité spécifique du verre lui permet de flotter sur l'étain d'où la terminologie "float" couramment employé pour décrire le procédé. Le verre et l'étain ne réagissent pas entre eux et restent séparés, leur résistance mutuelle à l'échelle moléculaire rendant le verre parfaitement lisse.

Le bain est un système étanche avec une atmosphère contrôlée composée d'azote et d'hydrogène. Il se compose d'une structure en acier, d'une enveloppe métallique supérieure, d'une enveloppe métallique inférieure protégée de l'étain par des réfractaires spéciaux et de systèmes de contrôle de la température du ruban de verre et du formage. Le bain mesure environ 60 m de long sur 8m de large avec une vitesse de défilement pouvant atteindre jusqu'à 25 m/min. Le bain contient près de 200 tonnes d'étain pur, fondu à une température moyenne de 800 ° C.

Les dimensions du ruban de verre sont obtenues par l'intermédiaire de forces de traction ou de compression effectuées par des machines appelées top rolls, situées sur chaque côté du bain.

Un programme de contrôle détermine les réglages optimaux du process. L'épaisseur du verre peut varier de 0,55 à 25 mm.

Des résistances électriques, regroupées en zones de chauffage, permettent une régulation fine de la température du verre qui est progressivement réduite, lorsque le verre a atteint les caractéristiques dimensionnelles désirées. Le ruban est alors parfaitement plat et ses faces sont parallèles.

A ce stade, les revêtements réflectifs, Low-E, pour contrôle solaire, autonettoyants ou photovoltaïque peuvent être déposés en utilisant le système de dépôts chimiques en phase vapeur par pyrolyse. Le verre est ensuite prêt à être refroidi.

> Étenderie :

Pour relâcher les contraintes physiques, le ruban est soumis à un traitement thermique dans un long four de recuisson appelé étenderie. Les températures sont étroitement contrôlées dans le sens longitudinal et transversal du ruban.

L'étenderie sert à recuire et à refroidir le verre. L'étenderie fermée est en construction métallique, elle refroidit le verre par rayonnement et le recuit selon les exigences de la spécification de production. Après recuisson, le verre est refroidi rapidement de manière contrôlée par un refroidissement adapté et un système de chauffage.

Le verre sera transporté dans l'étenderie sur un convoyeur à rouleaux dont l'écartement permet le supportage du ruban en toute sécurité. La commande est transmise mécaniquement aux rouleaux par le système d'entraînement. Un système d'entraînement de secours doit être disponible pour prendre le relais en cas de panne électrique ou mécanique du système de commande. Tous les rouleaux sont démontables pendant le fonctionnement. Pour assurer un fonctionnement non-stop des rouleaux, une commande de secours basse vitesse (pony) doit aussi être intégrée au système de commande de l'étenderie de même que le dispositif pour faire fonctionner l'entraînement à la main.

> La découpe

Le ruban de verre ainsi produit est refroidi à l'air libre, puis est contrôlé de manière permanente (épaisseur, qualité optique, défauts, etc.), coupé en plateaux de superficie standard et « débordé » automatiquement (enlèvement des bords). Les plaques ainsi produites sont placées verticalement sur des chevalets, grâce à des releveuses à ventouses.

> Le lavage :

Après la découpe, les plaques de verre sont généralement lavées afin d'éliminer les impuretés organiques et inorganiques qui sont éventuellement présentes à la surface. Les substances organiques se déposent sur le verre par contact avec les différentes parties de la chaîne de production (par exemple avec les ventouses en caoutchouc utilisées pour leur déplacement). Ces substances altèrent les propriétés de surface du verre en particulier la mouillabilité.

> Le stockage :

La phase de stockage est la plus délicate de la «vie» d'un float. Les différentes plaques de verre sont séparées à l'aide de poudres intercalaires (ex. leucite) puis emballées et laissées en attente avant la commercialisation. Dans la majorité des cas les magasins ne sont pas pourvus d'un système de contrôle de la température et de l'humidité relative. Ainsi les verres sont soumis à des cycles de condensation évaporation qui provoquent une détérioration des deux plaques adjacentes sur les hydroxydes formés à partir de Na⁺ et Ca²⁺). Parfois l'altération est très importante car le rapport surface de verre/solution altérante est élevée des piqûres se forment.

Description de l'unité MFG :

Mediterranean float glass , filiale du groupe CEVITAL conçue pour la fabrication du verre plat, installée à Larbaa à 30 km de Blida sur une surface de 10 hectares avec une ligne de longueur de 630 m et une largeur de 39 m .375 travailleurs dont 95 cadres veillent sur le bon déroulement de travail dans l'unité afin d'assurer la production journalière de 600 t/j .

La première feuille du verre a vu le jour le 22/08/2007, depuis MFG maintient sa position de premier fournisseur du verre plat en Algérie avec une réalisation dépassent 104% De l'objectif visé, en laps de 3 mois, MFG a triplé ses exportation en Europe avec 12220tonnes, contre 4428 tonnes au début 2008.

MFG adopte une système QHSE ce qui lui a permis d'être certifiée en iso9001 version 2000, iso 14001et dans le référentiel OHSAS18001, cela lui permet d'être compétitive sur le marché international.

Figure13.Distribution de personnel formé en niveau MFG

2-Les différents ateliers de la ligne :

La ligne de la production du float glass comporte les ateliers suivants :

2-1- Atelier de composition :

Cet atelier renferme les hangars de stockage des matières premières, l'acheminement de ces dernières se fait par des chargeurs et des transporteurs à godets vers les silos qui assurent l'alimentation en continu des doseurs. Le mélange ainsi dosé est envoyé vers le malaxeur ou ce fait la première homogénéisation en présence d'eau .Le mélange homogénéisé est transporté vers le four à l'aide d'un transporteur à bondes.

Afin d'éliminer les éléments minéraux non désirables, nuisibles pour la composition, la matière première subit après le malaxage un contrôle magnétique pour séparer les matériaux ferreux et à l'aide d'un dispositif spécial pour les éléments non ferreux.

La figure suivant représente le schéma simplifié de l'atelier de composition :

Figure 114.schématisation de l'atelier d'alimentation

Le mélange de matières premières est pesé électroniquement avec une précision de 0,1%, puis mélangé et humidifié. Il forme un mélange vitrifiable auquel on ajoute du calcin avant de le charger directement dans le four de fusion. L'ajout de calcin permet d'abaisser la température de fusion du mélange.

La consommation journalière en tonne par jour des matières premières au niveau de MFG est comme suite :

Tableau 3. Consommation journalière en matières premières à MFG

MP	sable	Carbonates de soude	dolomie	calcaire	feldspath	Sulfates de soude	charbon	Oxyde de fer	calcin
Tonne/j	310	120	80	30	25	6	0.4	0.25	150

2-2- Atelier de fusion :

Comporte un four à 6 brûleurs transversaux à chambre de régénération, long de 62.8 m et large de 30m avec une quantité de verre en fusion de 2050 tonnes, la température du four est de l'ordre de 1550°c .la consommation énergétique est de 120000 m³ /j de gaz naturel.

L'alimentation des fours en mélange vitrifiable est assurée par4 enfourneuses qui sont programmées de façon à ce que le niveau du verre fondu soit toujours stable.

Figure15.Coupe latérale d'un four à régénérateurs

Le four est constitué de 3 zones essentielles qui sont les suivantes :

· l'élaboration :

Le mélange doit être transformé en un liquide dépourvu d'inclusions cristallines. Au alentour de 1000°C, les premières réactions de fusion et de décomposition commencent à se produire mais il faut monter entre 1200 et 1500°C pour s'assurer que les matières moins fusibles puissent réagir avec les matières en fusion et être digérées par la phase liquide.

· l'affinage :

Dans le mélange vitrifiable en fusion, il est nécessaire d'expulser les bulles de gaz provenant des différentes réactions chimiques mais également de l'air situé entre les matières premières et de l'évaporation de l'eau.

Cette étape nécessite la présence d'affinants dans le mélange de départ (voir page 2), une élévation de la température (pour diminuer la viscosité du verre fondu) et parfois une agitation mécanique ou l'insufflation d'air.

· le conditionnement :

Après la fusion et l'affinage, le verre doit être homogénéisé chimiquement et thermiquement. Les variations de composition causent des défauts permanents lors de la production tandis que les variations de températures occasionnent des problèmes lors de l'étape de formage du verre.

Il existe plusieurs catégories de fours et il se peut qu'une verrerie regroupe quelques-uns de ces systèmes de fusion affectés à la production de différents produits verriers.

Pour obtenir des températures suffisamment élevées dans les fours, il est impératif de préchauffer l'air de combustion. Pour réaliser des économies d'énergie, les gaz chauds issus des fours passent par des systèmes de régénération ou de récupération thermique.

· Système de régénération :

Les gaz brûlés passent dans une chambre (régénérateur) dotée d'un garnissage réfractaire absorbant la chaleur. Il y a deux régénérateurs par four. Le chauffage des chambres n'a lieu que d'un seul côté à la fois. Toutes les 20 minutes, la combustion est inversée et l'air (comburant) est passé à travers la chambre précédemment chauffée par les gaz brûlés. Ce système permet d'obtenir des températures de préchauffage de 1400°C.

· Système de récupération :

Des échangeurs thermiques (récupérateurs) assurent le préchauffage continu de l'air (comburant) par la circulation des gaz brûlés. Les températures de préchauffage atteintes sont limitées aux alentours de 800°C. Ce système est principalement utilisé lorsque la taille de l'exploitation est trop faible pour pouvoir rendre un système de régénération économiquement rentable. Les consommations énergétiques dépendent de la capacité de production des fours et de la qualité du verre à produire.

L'énergie nécessaire pour la fusion d'un kilogramme de verre varie entre 3700 et 6000 kJ (pour des températures de fusion qui varient entre 1200°C et 1500°C).

2-3- Bain d'étain :

Une installation de 60m de longueur et de 7,6m de largeur qui contient environ 200t d'étain fondu pour une duré de vie estimée de 10ans, l'atmosphère de bain est composée essentiellement de l'azote et l'hydrogène avec des pressions bien définies dont la consommation est respectivement 1600m³/h et 130m³/h.

Le verre affiné arrive du four par le canal et il est déversé sur l'étain fondu dans le bain « float » à une température variant de 1100°C pour du verre clair à plus de 1170°C pour du verre teinté. Le débit est régulé automatiquement de manière à maintenir la largeur et l'épaisseur du ruban. Le bain « float » est chauffé électriquement.

Le verre flotte sur un bain d'étain fondu. Des rouleaux dentés, appelés « top-rollers », accrochent le verre encore liquide sur les rives du ruban et font avancer le verre. L'épaisseur naturelle du verre qui s'étale sur une table est de 5 à 6 mm. Si l'on veut obtenir un ruban d'une épaisseur inférieure à 5 mm, on étire le verre et les top-rollers ont un angle, dit « positif ». Si l'on veut une épaisseur supérieure à 5 mm, et ce jusqu'à 12 mm, on repousse le verre et les top-rollers ont un angle dit « négatif ». Plus on s'écarte des 5 mm d'épaisseur, plus il faut ajouter de top-rollers pour donner l'épaisseur souhaitée. Certains bains d'étain possèdent plus de 20 top-rollers pour faire du verre de 0,5 mm d'épaisseur.

Un contrôle continu des paramètres du bain d'étain tel que la pression des gaz à l'intérieur (N2, H2), les températures d'entrée et de sortie du verre et une bonne étanchéité est nécessaire pour la bonne maîtrise du ruban du verre afin d'assurer un produit de qualité et éviter tout incident probable.

Figure 16. Vue intérieure du bain d'étain

2-4- Etenderie :

Afin d'éviter la formation de défauts mécaniques dus aux tensions subies par le verre pendant le refroidissement, le ruban de verre est soumis au processus d'annealing. Il s'agit d'un traitement thermique effectué à l'intérieur d'un tunnel long d'environ 100 m. Le verre est introduit à 600°C ainsi, il refroidit sous contrôle jusqu'à la température ambiante.

Plusieurs ventilateurs et équipements de chauffage ainsi des moyens de mesures de températures sont installés pour le contrôle strict de régime de refroidissement.

Pendant le temps de résidence du verre dans l'étenderie on introduit, afin d'améliorer ses caractéristiques, du SO2 gazeux. Ce procédé provoque un échange ionique en sub-surface et conduit à la formation de sulfates de sodium, selon les réactions suivantes :

· en présence de vapeur d'eau : 2Na+ (verre) + SO2 + 1/2 O2 + H2O ? 2H+ (verre) + Na2SO4

· en atmosphère sèche : Na2O + SO2 + 1/2 O2 ? Na2SO4

Ce traitement sert à augmenter la durabilité du verre en milieu acide ou neutre. Ceci crée à la surface du verre une couche appauvrie en sodium et relativement enrichie en SiO2 et donc plus résistante.

.

Convection non forcée Convection forcée

Figure17. Différentes zones de l'étenderie et les régimes de recuisons

2-5- La découpe :

Après le travail dans le bout chaud on procède au travail au bout froid au niveau de l'atelier de la découpe, installation longue de159.78m et large de 4.80m.la largeur du ruban du verre peut atteindre 4.5m max (la longueur nette est de 4.27m) ; le ruban se déplace avec une vitesse maximale de 90m/min, il subit une inspection automatique à laide des dispositifs spéciale pour :

* la détection des défauts du produit fini.

* la détection des contraintes dans le produit fini.

Des trémies et des broyeurs sont prévus pour le broyage des rebus découpés et la récupération du calcin, ce dernier et acheminé vers le silo de stockage ; il sera réutilisé plus tard dans la composition du mélange vitrifiable.

Le verre est découpé selon 3 formats qui sont les suivants :

> PLF 3210x6000mm (international)

v' DLF 2250x 3210 (local)

v' DDLF: 1605x 2100 (local), 1605x 2400 (local).

Figure18.Le verre passe sous des systèmes automatiques de découpe. La largeur est ajustée avant
que les plaques ne soient découpées en différentes longueurs.

Les plaques de verre reçoivent un traitement leur permettant d'être stockées sans dommage avant d'être levées et puis empilées. Les plaques de verre déposées sur des chevalets sont alors transférées vers l'entrepôt de stockage ou pour expédition au client.

Figure 19. Moyen de manutention dans l'atelier de stockage

2-6- Atelier de contrôle de qualité :

On y effectue les différents tests afin de détecter, classer et dimensionner les différents défauts, on vérifie ainsi la conformité du verre aux normes de consommation .au niveau de MFG, on effectue les tests suivants :

a) Le test zébra : pour déterminer l'angle de déformation optique (la norme internationale est de 45°).

b) Le test de la lumière latérale : l'échantillon est latéralement traversé par une lumière blanche, ça permet de bien visualiser les défauts.

c) Le test de pupitre lumineux : la surface de l'échantillon est exposée à la lumière blanche afin de localisée les défauts.

Pour une vérification approfondie, une éxamination de l'échantillon du verre est effectuée à l'aide de microscope optique.

Des essais de découpage manuel sont effectués pour contrôler le comportement du verre vis-à-vis l'outil coupant.

2-7- Installations annexes :

a) Station de traitement d'eau : l'eau utilisée pour le refroidissement des équipements et installation doit être traitée, afin d'éliminer le calcaire qui après dépôt crée un étranglement de la tuyauterie, ce qui nuis au bon fonctionnement de l'équipement.

b) Station d'énergie : assure l'alimentation des différents équipements par leur besoin en hydrogène, azote, gaz naturel et GPL.

Chapitre III le verre à couches

1. Les verres à couches

1.1 - Introduction

Par définition, les `verres à couches' sont des produits verriers de types industriels (très généralement des produits élaborés à partir de verre `float') qui sont revêtus d'une couche mince, en général composée d'oxydes métalliques. L'épaisseur de cette couche est de l'ordre de 10 nanomètres à 800 nanomètres (0,8 jtm). Pour optimiser les performances, la couche peut être constituée d'un empilement de plusieurs sous-couches.

Le rôle de cette couche est de modifier le comportement optique (exemples : les vitrages antireflet, les vitrages réfléchissants utilisés pour réduire le facteur solaire), chimique (exemples : les vitrages `autonettoyants', vitres hydrophobes), électrique (dépôts conducteur électrique et transparent) ou encore mécanique (exemple : les traitements contre les rayures).

Bien que ce travail concerne les verres à couches dont la couche est inférieure à 1 micromètre, certains vitrages fonctionnels comportant des couches plus épaisses comme les vitrages anti-incendie, les vitrages électrochromes etc.... sont présentés. Il est possible d'améliorer les propriétés acoustique et mécanique du verre (exemple : les vitrages feuilletés utilisés pour la sécurité, l'anti vandalisme, la sécurité d'exploitation comme les planchers en verre, les parois d'aquarium les hublots de piscine) [9].

1.2 - Les fonctions d'un verre à couches

1.2.1-Les fonctions optiques

La couche modifie le comportement optique du verre, dans le domaine visible et/ou dans le domaine de l'infrarouge. Les applications optiques d'un verre à couche intéressent d'une part les vitrages utilisés dans le domaine de l'architecture et d'autre part le traitement du coefficient de réflexion.

A- Domaine de l'architecture

En architecture, il faut tenir compte de la répartition énergétique (ou spectrale) de l'énergie solaire arrivant sur terre. La puissance du rayonnement solaire sur terre est constituée de 43% de rayonnement Infrarouge, de 3 % de rayonnement Ultraviolet, le reste (54 %) étant de la lumière visible. Une application importante est apportée par une modification du comportement vis-à-vis du rayonnement solaire en contrôlant d'une part l'énergie solaire transmise et d'autre part la luminosité, conduisant ainsi à une économie de conditionnement d'air (en été) et de chauffage (en hiver).

Les caractéristiques d'un vitrage sont principalement :

- le facteur solaire (noté g ou FS et variant de 0 à 1)

- la transmission lumineuse (notée TL et variant de 0 à 1)

- le facteur U qui caractérise les échanges thermiques à travers le vitrage (W/m2. °C). - l'émissivité (notée e et variant de 0 à1)

Des couches sont capables de modifier les quantités g, e, TL et U, mais en général de façon non indépendante. Le secteur de l'automobile fait aussi maintenant de plus en plus appel au contrôle solaire, d'autant plus que dans ce domaine, les vitrages ont des surfaces de plus en plus grandes et de moins en moins verticales (exemple : les toits vitrés). Outre ces applications pratiques, le traitement de surface peut présenter un intérêt esthétique et de décoration (par exemple coloration par effet de réflexion interférentielle provoquée par un dépôt transparent d'indice élevé comme l'oxyde de titane TiO2) [9].

B- Le traitement du coefficient de réflexion

Il est souvent intéressant de contrôler le coefficient de réflexion sur un domaine spectral étendu, comme la totalité du spectre visible par exemple. Des dépôts multicouches diélectriques transparents d'indice de réfraction et d'épaisseurs judicieusement choisis permettent d'obtenir des vitrages anti-réfléchissant, semi-réfléchissant ou super-réfléchissant. Les applications se trouvent dans le secteur du bâtiment et de l'instrumentation optique.

1.2.2-Les fonctions chimiques

Il s'agit essentiellement de créer des vitres à propriétés hydrophobes ou au contraire hydrophiles. Un exemple est donné par des verres à couches autonettoyantes à base d'oxyde de titane.

1.2.3-Les fonctions électriques

Le but est d'obtenir un dépôt transparent à la lumière visible mais conducteur de l'électricité. Les applications sont l'élimination de charges électrostatiques, mais surtout concernent la réalisation de vitrages `intelligents' de type électrochromes. Certains vitrages `dégivrants' mettent à profit une fine couche transparente mais conductrice de l'électricité. L'exemple typique d'une telle couche est l'oxyde mixte d'indium et d'étain appelé ITO.

1.2.4-Les fonctions multiples

Souvent, une combinaison de ces différentes propriétés est recherchée. Un exemple est donné par les doubles vitrages autonettoyants et à isolation thermique renforcée.

C'est le cas du vitrage `Cool-Lite SKN 154 BioClean' produit par Saint-Gobain Glass : ce vitrage comporte une couche à faible émissivité déposée en face 2 et un dépôt autonettoyant en face 1.

1.3 - Structure d'un verre à couches

Pour assurer de bonnes propriétés et une bonne durabilité, il est souvent indispensable de déposer :

- une sous-couche assurant l'adhérence sur le verre.

- une couche (mais plus généralement plusieurs couches) pour donner au verre les caractéristiques fonctionnelles recherchées.

- optionnellement, une couche de protection chimique et mécanique (dans le cas de verres à faible émissivité, cette dernière couche peut être du nitrure de silicium) [9].

1.4 - Nature de couches, procédées de dépôt

Diverses techniques existent pour apporter de la matière sur une surface. Nous décrirons les principales utilisées. On peut les classer de différentes manières (e.g.physiques ou chimiques), mais nous préférons les classer selon la phase par laquelle le matériau transite lors du dépôt : soit par un gaz ionisé (plasma), soit en phase vapeur, soit en phase liquide. Le choix d'un procédé dépend de plusieurs facteurs : le matériau à déposer, la nature du substrat, l'application désiré.

1.4.1- Pulvérisation cathodique

Ce procédé tend à se substituer progressivement à l'évaporation dès lors que l'on souhaite des dépôts de grande surface. En effet pour des raisons strictement géométriques il est évident qu'une source d'évaporation quasi ponctuelle peut être considérée comme un centre de symétrie vis a vis des atomes évapores. En d'autres termes le nombre d'atomes reçus à une distance donnée de la source sera sensiblement inversement proportionnel à la carre de la distance. II en résulte que le dépôt présentera une épaisseur homogène s'il est effectue sur une surface sphérique dont le centre est constitue par la source d'évaporation. Comme en pratique les substrats sont généralement plans, on ne pourra les assimiler qu'au plan tangent a la sphère et de toute évidence l'épaisseur du dépôt ne sera pas identique en tout point. On est donne contraint à limiter fortement la surface utile du substrat, ou a le placer très loin de la source ce qui entraine alors d'autres difficultés (nécessite d'enceinte plus grande donne système de pompage beaucoup plus cher, temps opératoire plus long...) [8].

Figure 20. Principe de dépôt par pulvérisation cathodique.

1.4.1.1- Mécanisme de la pulvérisation

On dispose a faible distance de deux plans parallèles, 1'un support de la source de matériau (cible), 1'autre du réceptacle du dépôt. On procède au bombardement de la source par des ions connus (argon le plus souvent) accélères sous 1kV environ, ces ions vont arracher mécaniquement des atomes de la source et ceux-ci vont être projetés vers le porte substrat refroidi et s'y déposer. La source plane pouvant être de très grande surface on peut théoriquement effectuer des dépôts relativement homogènes sur une grande surface [8].

Les dépôts métalliques sont aisés à produire par pulvérisation cathodique, dans le cas de matériaux diélectriques, et donc non conducteurs, il y a une difficulté car les ions ne peuvent se décharger sur la cathode, ce qui entraine la constitution d'une charge d'espace qui très vite bloque la progression des ions vers la cathode et interrompt, de facto, le processus de pulvérisation. On trouve une parade en interposant une grille soumise a un potentiel module a haute fréquence (27 MHz) ce qui augmente sensiblement la complexité et le cout du dispositif. La diode plane représentée cidessus possède une cathode de diamètre variant entre 10 et 30 cm tandis que la distance cathode anode se situe entre 5 et 10 cm [8].

1.4.2-La pulvérisation magnétron :

1.4.2.1-Effet magnétron :

Une décharge diode DC est entretenue par les électrons secondaires éjectés de la cathode sous l'effet du bombardement ionique. Dans ce cas les électrons qui ne rencontrent pas de molécules de gaz s'éloignent perpendiculairement à la cathode et sont captés par l'anode.

Si on superpose au champ électrique un champ magnétique B, perpendiculairement à celui ci, les trajectoires électroniques s'enroulent autour des lignes de champ magnétique, augmentant considérablement les chances d'ioniser une molécule de gaz au voisinage de la cathode [9].

Figur21.Système diode et système magnétron

1.4.2.2- Principe :

La décharge luminescente est concentrée dans la zone ou le champ magnétique est le plus intense ; il se forme donc une zone luminescente circulaire de forme annulaire. Ceci occasionne, après plusieurs heures de fonctionnement, une profonde déflexion à l'aplomb de l'anneau luminescent. La cathode magnétron existe sous deux formes principales : planes (rectangulaires ou rondes) et cylindriques.

Figure 22. Cathode à magnétron circulaire

1.4.2.3- Propriétés des cathodes magnétron :

La décharge magnétron se caractérise par un degré d'ionisation élevé. En effet, les électrons possèdent un mouvement cycloïdal autour des lignes de champ, ceci augmente donc le taux de collisions entre ces électrons et les molécules de gaz (Argon).

La pression de travail dans une enceinte équipée d'une cathode magnétron peut aller de quelques 10^-3 Torr à quelques 10^-4 Torr. Les particules pulvérisées vont donc se déplacer en lignes droites avec un minimum de collisions.

Dans des systèmes de pulvérisation magnétron, le champ magnétique augmente la densité du plasma ce qui a pour conséquences une augmentation de la densité de courant sur la cathode. De grands taux de pulvérisation ainsi qu'une diminution de la température du substrat peuvent être ainsi obtenus [9].

Remarque :

L'unité de mesure légale de pression est le pascal (Pa). Les unités pratiques en mesure du vide sont encore le torr (Torr) et le millibar (mbar). On a la correspondance :

1 Torr = 1,33 mbar = 133 Pa.

1.4.3-Dépôt par évaporation

1.4.3.1- Principe de l'évaporation thermique :

La technique la plus courante consiste à évaporer le matériau à déposer en le portant à une température suffisante. Des que la température de liquéfaction est dépassée, il se trouve que la pression de vapeur du matériau est sensiblement supérieure a celle résiduelle dans 1'enceinte. Alors des atomes du matériau s'échappent et se propagent en ligne droite jusqu'a ce qu'ils rencontrent un obstacle. Cette rencontre peut être le fait soit d'une surface solide (substrat, paroi de 1'enceinte) soit d'un atome ou d'une molécule se déplaçant dans l'espace. Dans le cas de rencontre une surface, il y aura séjour de 1'atome sur la surface avec échange d'énergie et si la surface est sensiblement plus froide que l'atome il y a condensation définitive. La rencontre d'une molécule résiduelle se traduit généralement par une déviation de l'atome d'évaporant II apparait donc qu'il est indispensable que la pression dans 1'enceinte soit suffisamment faible pour que la probabilité de rencontre d'un atome résiduel soit quasi nulle. Cela est réalise dans les systèmes courants des que la pression est de 1'ordre de 10" Torr car alors le libre parcours moyen d'un atome dans 1'enceinte est statistiquement supérieur aux dimensions de celle-ci [8].

Figure 23. Creuset pour l'évaporation thermique.

La procédure de chauffage du matériau à évaporer peut être réalisée de plusieurs façons qui seront choisies en général en fonction de critères de qualité du résultat attendu. On note fréquemment l'emploi d'un Creuset chauffe par effet joule : limité aux matériaux s'évaporant a relativement basse température (et en tout cas très en dessous du point de fusion du creuset qui sera souvent en alumine frittée, parfois en graphite ou en oxyde de béryllium).

1.4.3.2- Principe de canon a électron

La seconde technique consiste à utiliser un canon à électrons à déflexion électromagnétique : permettant en théorie 1'évaporation de tout matériau (même très réfractaire) sans risque de pollution par le support. Notons que le faisceau d'électrons émis par un filament de tungstène est focalise ponctuellement sur le sommet de l'échantillon à évaporer.

On condense ainsi jusqu'a 2kW de puissance sur un volume inferieur au mm3. Le matériau repose en pratique sur une nacelle de cuivre refroidie par une circulation d'eau afin d'éviter qu'elle ne s'évapore également. En jouant sur la tension d'accélération des électrons et sur le champ magnétique, il est aise de déplacer le point d'impact du faisceau d'électrons. On dispose alors de la possibilité de déposer plusieurs matériaux différents places dans des emplacements sépares sur la nacelle [8].

C'est un produit qui, sous un aspect assez neutre, aura une plus forte TL. (Transmission Lumineuse) que les produits fabriqués en phase liquide et avec un F.S. (Facteur Solaire) plus bas. Ces formes de pyrolyse sont particulièrement adaptées à un procédé en continu sur ligne de fabrication de verre flotté. Au-delà de deux couches superposées, le procédé devient difficile...

Par la pyrolyse, la couche s'intègre totalement à la surface du verre (par osmose), lui conférant une grande résistance et une stabilité dans le temps. De ce fait, ces verres, classés A, sont utilisés en face

1 du vitrage.

1.4.4.2) Sur substrat froid

II est obtenu par enduction sur la surface du verre d'un liquide, d'une pâte, d'un gel, puis chauffage. La matière se décompose et laisse une couche mince sur le verre. Ce procédé porte le nom de DIPPING ou SILICOAT DE GUARDIAN (Sun-Guard Clear).

1.4.5) Procédé `sol-gel' :

Un composé organo-métallique est déposé sur le substrat immergé dans une solution (`dip coating'). Le composé est transformé en oxyde métallique par traitement à haute température.

1.5- Tests, normalisation des verres à couches pour l'architecture

Les verres traités utilisés pour les vitrages en architecture doivent répondre à certains critères, concernant en particulier :

v' la corrosion

v' l'abrasion et la résistance aux rayures

v' la résistance au brouillard salin

v' la résistance au rayonnement UV

v' la résistance à l'attaque chimique (solvants, agents nettoyants, bases et acides) Une couche `dure' est conforme à l'ensemble de ces tests.

2 - Classification des vitrages pour le bâtiment

2.1 - Le rôle des couches

Les couches déposées sur les vitrages ont plusieurs rôles : elles agissent sur la transmission lumineuse, le contrôle solaire, le transfert thermique, l'émissivité. En outre, certaines couches peuvent aussi avoir un rôle autonettoyant efficace. Ces caractéristiques sont traitées en détail dans des chapitres séparés.

a. Le coefficient de transparence, ou de transmission lumineuse (TL ou t)

Ce coefficient de transparence caractérise la proportion de lumière visible (spectre de longueurs d'onde comprises entre 0,38 jim et 0,78 jim) traversant le vitrage. Evidemment, le coefficient TL est compris entre 0 (opacité complète) et 1 (transparence totale).

b. Le facteur solaire (FS ou g)

Le facteur solaire est la fraction de l'intensité du rayonnement solaire (visible et non visible) traversant directement le vitrage ainsi que la fraction absorbée par le vitrage puis réémis vers l'intérieur sous forme chaleur (Infrarouge).

c. Le facteur gain solaire

Le facteur de gain solaire est le rapport TL/g. Il définit la quantité de lumière visible transmise par un vitrage sans apporter d'échauffement supplémentaire. Le choix de ce facteur est important selon que le climat est froid ou chaud (voir vitrage à faible émissivité et à contrôle solaire).

d. L'émissivité e

La chaleur est transmise par conduction, convection et radiation. Un vitrage simple non traité perd une grande partie de ses propriétés d'isolation à cause de sa radiation d'énergie élevée. Cette aptitude à rayonner la chaleur est caractérisée par l'émissivité e. L'émissivité la plus élevée est celle d'un `corps noir' pour lequel elle est égale à 1 alors que celle de l'argent métallique poli est 0,02.

L'émissivité d'un vitrage simple non traité est comprise entre 0,89 et 0,87. Un vitrage revêtu d'une couche métallique suffisamment mince pour rester transparente à la lumière visible peut être réduite jusqu'à 0,04.

e. Le coefficient de transfert thermique U

Le coefficient U est la mesure de déperdition (ou de gain) de chaleur à travers un vitrage provoquée par une différence de température d'air entre l'extérieur et l'intérieur.

La valeur du coefficient U est le résultat non seulement de la nature des couches déposées sur les feuilles de verre, mais aussi de la structure du vitrage.

Le coefficient U s'exprime en W/m2.K (watts par m2 et par degré). Le coefficient U d'un vitrage simple est de l'ordre de 6 W/m2.K, mais peut descendre à 1,1 pour un triple vitrage à isolation renforcée [7].

Des valeurs encore plus faibles sont obtenues si ces triples vitrages ont des espaces remplis non pas d'air mais de gaz moins conducteurs de la chaleur comme l'argon ou encore mieux le xénon. Il faut noter que l'inverse de U est la résistance thermique R=1/U.

Les coefficients TL, U, g et e ne peuvent pas toujours être choisis séparément. Un compromis est souvent à trouver. Par exemple, dans un pays froid, il vaut mieux avoir un contrôle solaire g élevé pour profiter du chauffage par le rayonnement solaire pendant la journée[7].

En outre, il existe des combinaisons plus ou moins complexe comme des vitrages autonettoyants, à isolation thermique renforcée (à faible émissivité) et à contrôle solaire.

f. La couche autonettoyante

Un vitrage autonettoyant est un vitrage revêtu d'une couche mince d'oxyde de titane (généralement pyrolytique) sous forme cristalline anatase. Ce revêtement a des propriétés semiconductrices et de superhydrophilicité. Ces deux propriétés permettent au revêtement placé en extérieur d'assurer la dégradation photo catalytique (sous l'effet du rayonnement solaire) des salissures déposées sur la vitre (car il est semi-conducteur) puis le lavage avec la pluie (car il est super hydrophile).

2.2 - La classification des verres à couches dans le bâtiment

Selon la méthode de dépôt des couches, la durabilité et résistance mécanique de celles-ci seront plus ou moins grandes. Par exemple, un dépôt pyrolytique CVD qui présente une plus grande durabilité, pourra être placé en face externe. Par contre une face traitée par un dépôt obtenu par évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique PVD qui présente de meilleures performances mais aussi une résistance moindre aux agressions devra être placé en face interne d'un double vitrage. Un tel dépôt demande aussi d'être manipulé avec précaution. C'est pourquoi, en fonction de la nature des dépôts, les vitrages pour bâtiments sont classés suivant différentes catégories [7].

2.3 - La numérotation des faces d'un vitrage simple ou multiple

Par convention, les faces d'un vitrage sont repérées comme l'indique la figure (25) pour un vitrage simple et double. La face extérieure est toujours numérotée 1. Ainsi, pour un triple vitrage, les faces seront numérotées de 1 à 6.

Figure 25. Numérotation des faces d'un vitrage à couches.

3 - Traitement de surface hydrophobe

3.1 - Surface hydrophobe :

Définition :

Une surface hydrophobe a tendance à repousser les molécules d'eau. Ce caractère est l'opposé de celui présenté par les surfaces hydrophiles (voir par exemple les verres `autonettoyants' qui sont rendus `hyper-hydrophiles' grâce à un dépôt d'oxyde de titane sous forme anatase).

Ainsi, une goutte d'eau à tendance à s'étaler sur une surface hydrophile, alors qu'elle a tendance à rester sous forme de gouttelette sphérique au contact d'une surface hydrophobe comme indiqué sur la figure (26).

Figure 26. Étalement d'un liquide sur une surface.

a) sur une surface totalement hydrophobe : le liquide est parfaitement non mouillant.

b) sur une surface totalement hydrophile : le liquide (l'eau) est parfaitement mouillant. La nature nous donne des exemples de surfaces hydrophobes comme cette feuille où l'eau reste sous forme de goutte sans s'étaler (27) :

Figure 27. La surface de cette feuille est de nature hydrophobe

La nature hydrophobe ou hydrophile d'une surface est caractérisée par la valeur de l'angle de contact è d'une goutte d'eau avec cette surface comme indiqué sur la figure 4. Si cet angle è est inférieur à 90°, il s'agit d'une surface hydrophile, tandis que si cet angle est supérieur à 90°, il s'agit

d'une surface hydrophobe. Si l'angle de contact est supérieur à 150°, la surface est qualifiée de `super-hydrophobe.

Figure 28. Étalement d'une goutte d'eau sur une surface

hydrophobe ou hydrophile.

Une surface propre de verre est plutôt hydrophile : l'eau au contact d'une vitre en verre a tendance à former des gouttes qui s'étalent et adhérent au verre. Ceci pose un problème car, d'une part la visibilité est réduite à travers la vitre, et d'autre part des traces sont laissées sur la vitre après séchage et évaporation. Si la nature `super-hydrophile' apportée par un dépôt d'oxyde de titane présente un intérêt dans le cas des vitrages `autonettoyants', il peut être intéressant de rendre la surface du verre hydrophobe.

3.2 - Réalisation de surfaces de verre hydrophobes

Une surface peut être de nature hydrophobe et même `super-hydrophobe' à cause de sa texture. C'est le cas de la surface des feuilles de lotus. La nature hydrophobe et superhydrophobe peut aussi être d'origine chimique. Nous traitons ici le cas des traitements Hydrophobes d'origine chimique.

Une surface est hydrophobe si elle a tendance à repousser les molécules d'eau plutôt que de les attirer. Les molécules d'eau étant des molécules polaires, la surface de nature hydrophobe doit être de nature non polaire. Les molécules d'eau ont tendance à s'attirer entre elles alors qu'elles sont peu attirées par le substrat. L'eau forme alors une gouttelette qui ne s étale pas sur le substrat de nature hydrophobe.

Ainsi, pour que la surface d'un matériau soit rendue hydrophobe, il faut déposer une couche de faible épaisseur d'un matériau non polaire : typiquement des silanes fluorés. Un brevet déposé par Saint-Gobain Vitrage (Courbevoie) décrit le procédé (Brevet : United States Patent 5800918). Tout d'abord le verre reçoit un premier dépôt appelé sous-couche. Ce dépôt minéral pyrolytique à base d'oxydes (oxyde d'aluminium, oxyde d'étain ...) de faible épaisseur (8 à 500 nanomètres, soit 0,008 à 0,500 millièmes de millimètres) est transparent [7].

Enfin, un film très mince (1 à 5 nanomètres) hydrophobe est déposé sur cette sous-couche : il s'agit d'un fluorosilane La vitre en verre est ainsi rendue hydrophobe.

Si en outre la sous-couche est un oxyde dopé (oxyde d'étain dopé au fluor ou oxyde d'indium dopé à l'étain appelé ITO par exemple), alors le vitrage est hydrophobe, antistatique et à faible émissivité.

De tels vitrages sont commercialisés pour le bâtiment ainsi que pour les pare-brises automobiles. Dans ce cas, la visibilité est très améliorée par temps de pluie diluvienne (d'après documents Saint-Gobain) et on peut même envisager d'éviter l'emploi d'essuie-glaces.

Si les vitrages sont déjà installés, il est possible de les rendre hydrophobes en déposant un film par spray. De tels produits sont commercialisés (exemple le produit de marque Rain-X), essentiellement pour application sur pare-brises automobiles. La durabilité n'est pas infinie, mais de plusieurs semaines. Là encore, la surface rendue hydrophobe pourrait éviter l'utilisation d'essuie- glaces, à condition que la vitesse du véhicule soit suffisante (supérieure à 50 km/heure) pour chasser les gouttelettes d'eau figure (29).

Figure 29. Gouttelettes d'eau sur un pare brise
ayant reçu un traitement par spray hydrophobe
(selon un document Rain-X).

3.3 - Aspects théoriques

Nous avons vu que la valeur de l'angle de contact è entre une goutte d'eau et la surface du verre caractérise la nature hydrophobe ou hydrophile. La valeur de cet angle est calculée en écrivant l'équilibre au point triple de contact entre le liquide (ici l'eau), l'atmosphère gazeuse environnante (ici l'air) et la surface du solide (ici le verre) comme indiqué sur la figure (30).

Figure 30.l'intersection des trois interfaces définit la ligne de contact entre les trois phases (gaz/liquide/solide). óSG, óLG, ^et óSL sont les tensions inter faciales solide/gaz, liquide/gaz et solide/liquide, respectivement.

L'équilibre des forces au point triple donne la valeur de l'angle de contact (équation de Young). Soit aSL, aSG et aLG les tensions interfaciales solide/liquide, solide/gaz et liquide/gaz, respectivement.

L'unité de tension interfaciale est joule/m2 ou bien newton/m. La condition d'équilibre de liquide à la surface du solide donne l'équation dite équation de Young :

Dans le cas du système téflon/eau, nous avons :

aSG = a (téflon/air) = 0,019 N/m

aLG = a (eau/air) = 0,073 N/m

aSL = a (téflon/eau) = 0,050 N/m

L'application numérique de l'équation de Young donne, pour le système eau/téflon un angle de contact voisin de 115°. Le téflon est bien un matériau hydrophobe.

Par contre, l'application numérique dans le cas du système eau/verre donnerait un angle de contact très inférieur à 90°. La surface d'un verre propre est bien de tendance hydrophile.

4 - Dépôt transparent conducteur de l'électricité

4.1 - Nature du dépôt : ITO (oxyde d'étain et d'indium)

Le matériau ITO est un mélange d'oxydes d'indium et d'étain. La composition typique en poids est 90% _In2O3 et 10% SnO2. L'ITO est donc de l'oxyde d'indium où une faible fraction d'atomes d'indium est remplacée par des atomes d'étain : on peut dire qu'il s'agit d'oxyde d'indium dopé à l'étain.

Cet oxyde mixte est un semi conducteur de type n (la conduction électrique a lieu par électrons) fortement `dégénéré'. Ce matériau est faiblement conducteur électronique, mais reste transparent à la lumière visible à condition qu'il soit sous forme de couche mince.

Cet oxyde est meilleur conducteur de l'électricité que d'autres oxydes transparents comme ZnO etc. ... L'augmentation de la conductivité électrique par dopage entraîne une augmentation de l'absorption de la lumière et la couche en ITO se colore en jaune [7].

Ce matériau est utilisé pour réaliser les électrodes transparentes dans les dispositifs d'affichage à écrans plats (exemple : les écrans LCD) et les vitrages électrochromes.

4.2 - Elaboration du dépôt ITO

Les films en ITO sur plaques de verres sont obtenus par différentes techniques de dépôts et généralement par pulvérisation (PVD par exemple).

4.3 - Utilisations

Les films ITO sont essentiellement utilisés comme électrodes transparentes pour les afficheurs à écrans plats, écrans tactiles, cellules solaires, diodes électroluminesentes (LED) organiques (OLED), certains revêtements antistatiques et écrans contre les radiations électromagnétiques mais transparents à la lumière visible. Le développement des vitrages électrochromes est rendu possible grâce à ce type d'électrodes transparentes déposées sur verre.

Ce type de dépôt peut aussi être utilisé comme système de dégivrage. Pour une application pare brise en verre feuilleté, ce dépôt est placé sur la face 2 ou 3 (naturellement, le dépôt est réalisé avant assemblage des deux feuilles de verre).

Des feuilles de verres revêtues de films ITO transparents conducteurs de l'électricité sont commercialisées.

5 - Verres à couches pour protection contre les incendies

5.1 - Définition

Le rôle d'un vitrage de protection contre les incendies est d'avoir une bonne transparence en période normale (c'est à dire de se comporter comme un vitrage usuel) mais d'assurer automatiquement une isolation thermique en cas d'incendie par action sur la conduction et le rayonnement. Il existe plusieurs types de vitrages pour protection anti-feu :

- certains verres trempés et à couches réfléchissantes (surtout pour le rayonnement

Infrarouge).

- des verres à couches intumescentes.

Les verres dits `armés' peuvent aussi assurer, mais dans une moindre mesure, un rôle de protection anti-feu car les éclats de verre susceptibles de se former sous l'effet des flammes restent reliés entre eux grâce aux fils métalliques. Ce chapitre concerne seulement les verres à couches.

5.2 - Structure et fonctionnement d'un verre à couches intumescentes

Un verre à couches de protection contre les incendies est constitué d'un empilement de feuilles de verre (verre `float', éventuellement trempé) séparées par des couches de gel de silicate intumescent. L'épaisseur de ces couches de gel est de l'ordre du millimètre. En période normale, le vitrage est aussi transparent qu'un vitrage usuel. Si un incendie se déclare dans une pièce d'un immeuble, la partie exposée du vitrage a tendance à s'échauffer. La première couche de gel intumescent se transforme en `mousse', assurant ainsi automatiquement une isolation thermique en réduisant le transfert de chaleur par conduction et rayonnement (voir figure 31). Si l'incendie persiste, une deuxième couche intumescente se transforme, ce qui augmente l'efficacité de l'isolation et ainsi de suite [7].

Figure 31. Structure et principe de fonctionnement d'un vitrage anti-feu. Dans cet exemple, le vitrage, initialement transparent est constitué de 4 feuilles de verre et de 3 couches intercalaires de gel de silicate intumescent.

5.3 - Les verres à couches réfléchissantes

Une autre technique de protection anti-feu consiste à utiliser des vitrages de sécurité trempés et comportant une couche réfléchissante (principalement dans l'Infrarouge). L'avantage de ces vitrages est qu'ils restent transparents à la lumière visible, même soumis à des températures élevées. L'inconvénient est une efficacité d'isolation thermique et de brise-feu moindre que les vitrages à couches intumescentes.

5.4 - Les classes et normes pour vitrages de protection anti-incendie

1) Les vitrages résistant au feu : sont classés en trois catégories selon la norme EN13501-2. Le classement est exprimé par une combinaison de lettres et de chiffres.

2) les vitrages de classe E : sont étanches aux flammes, aux fumées et aux gaz chauds. Ces vitrages sont généralement constitués de verres borosilicates trempés.

3) les vitrages de classe EW : sont étanches aux flammes, aux fumées et aux gaz chauds ils sont généralement constitués de feuilles de verre trempé revêtues de couches minces à faible émissivité qui procurent une isolation thermique. Ce revêtement assure une limitation du rayonnement thermique en dessous de la valeur nominative de 15 kW/m2.

4) les vitrages de classe EI : sont étanches aux flammes, aux fumées et aux gaz chauds et en outre il constitue une barrière thermique opaque aux rayonnements ; ces vitrages sont constitués de feuilles de verre séparées par des couches intumescentes (gels silicatés).

Les chiffres indiquent la durée en minutes pendant laquelle le vitrage peut assurer la protection (exemples EI 30, EI 60, EW 120 ...).

5.3 - Les verres à couches pour l'isolation thermique renforcée et le contrôle solaire

5.3.1-Le verre et le rayonnement solaire

5.3.1.1- Introduction et définitions

L'énergie du rayonnement solaire reçu sur Terre est constituée approximativement de 43% de lumière visible (longueurs d'onde comprises entre 400nm et 800nm), de 52% de rayonnement Infrarouge (longueurs d'onde supérieures à 800nm) et de 5% d'Ultraviolet (longueurs d'onde inférieures à 400nm).

Figure32.puissance spectrale du rayonnement reçu sur terre.

Pour réduire l'échauffement à l'intérieur des locaux (et des véhicules) dû au rayonnement solaire (surtout pendant les mois d'été) on utilise depuis longtemps des vitrages absorbant préférentiellement le rayonnement infrarouge (IR). C'est le cas des vitres `teintées' utilisées dans le domaine du bâtiment mais aussi des transports. L'absorption du rayonnement infrarouge par les verres teintés est due aux ions Fe2+ dans la masse du verre, qui leur donne une coloration verdâtre. L'inconvénient de cette méthode est que le verre absorbant le rayonnement s'échauffe et, puisque sa température s'élève, réémet un rayonnement IR vers l'intérieur des locaux ce qui produit un échauffement supplémentaire qui s'ajoute à celui produit par conduction et convection dans l'air du local.

Une méthode plus efficace, qui a tendance à se généraliser, pour contrôler le transfert d'énergie par rayonnement à travers un vitrage est d'utiliser des verres revêtus d'une couche à faible émissivité.

Les dépôts à faible émissivité contribuent à l'isolation thermique déjà obtenue grâce à la structure en doubles (et éventuellement triples) vitrages (diminution de la conduction et de la convection).

C'est l'isolation thermique `renforcée'. Les caractéristiques d'un vitrage sont : - le coefficient de transmission lumineuse (lumière visible) TL

- le facteur solaire g (ou FS)

- le coefficient de transmission énergétique U

- l'émissivité å

La valeur du coefficient U est essentiellement déterminée par la structure du vitrage (double ou triple, l'épaisseur des vitres et des espaces et la nature du gaz de remplissage). Les couches à faible émissivité participent à l'isolation thermique.

1.1.2 - Les vitrages à faible émissivité (appelés aussi peu émissifs)

Dans le domaine du bâtiment, les couches à faible émissivité (réfléchissant préférentiellement l'IR mais transparents dans le domaine visible) permettent d'éclairer une pièce par la lumière du soleil tout en limitant l'échauffement en été ainsi que les déperditions d'énergie en hiver.

Pour produire des vitres à faible émissivité, on utilise généralement des verres clairs (de type `float') qui sont revêtus d'un dépôt (soit de type pyrolytique, soit par procédé PVD magnétron) d'un métal ou d'un oxyde métallique qui réduit l'émissivité du verre, ainsi :

v' dans les climats froids, la chaleur générée par le rayonnement solaire et les appareils de chauffage est gardée à l'intérieur.

v' dans les climats chauds, le transfert de chaleur depuis l'extérieur est réduit.

En contribuant à la réduction de la valeur du coefficient U (voir normes et standards), les dépôts à faible émissivité participent aux économies d'énergie en réduisant la consommation de chauffage en hiver et de climatisation en été. Pour optimiser les économies d'énergie, il faut tenir compte non seulement de l'émissivité mais aussi du facteur solaire ainsi que du choix de la face du vitrage (face 2 ou 3) qui doit recevoir la couche.

Les premiers vitrages à faible émissivité ont été réalisés plutôt pour minimiser les dépenses de chauffage. Ils présentaient un facteur solaire g et un facteur de transmission lumineuse TL élevés. Ces vitrages des vitrages à basse émissivité et haute transmission. Ils devaient donc transmettre les longueurs d'onde du rayonnement solaire (visible et proche Infrarouge, voir figure 25) mais arrêter le rayonnement Infrarouge lointain à grandes longueurs d'onde produits par les appareils de chauffage et autres corps terrestres (voir figure 25).

Actuellement, dans les immeubles dédiés au secteur d'activité tertiaire (bureaux) on recherche à minimiser les gains solaires, tout en gardant une bonne transmission lumineuse et une bonne isolation.

Les vitrages correspondant doivent donc transmettre la lumière visible, mais arrêter (donc réfléchir) les Infrarouges du rayonnement solaire et les Infrarouges lointains (voir Figure 25). Il s'agit de vitrages à faible émissivité sélectifs.

Si en outre la couche à faible émissivité sélective est déposée sur une vitre teintée ou si le coefficient de réflexion de la couche est augmenté, on obtient un vitrage à basse émissivité sélectif et à basse transmission.

1.1.3 - Mode de dépôt et performance

Partie du spectre à grande longueur d'onde (IR). Le dépôt à faible émissivité est un mince film métallique ou d'oxyde métallique. Ce dépôt peut être de type pyrolytique (CVD) ou obtenu par pulvérisation (PVD). Le dépôt pyrolytique est plus résistant, plus commode à manipuler et à fabriquer. Le dépôt obtenu par pulvérisation est plus fragile mais présente de meilleures performances. Le dépôt pyrolytique est appelé `couche dure' et le dépôt PVD est appelé `couche tendre' ou encore `couche douce'. Par dépôt, on obtient facilement des valeurs d'émissivité faibles e = 0,2 (et même 0,04 pour des couches `tendres') alors que l'émissivité d'un verre usuel non traité est de l'ordre de 0,8 à 0,9 (typiquement 0,89).

1.1.4 - Les produits industriels

Il existe deux familles de vitrage à faible émissivité (low-e glazing en anglais) : > Les verres à couches classe C

La couche est déposée sous vide (dépôt PVD magnétron). Il s'agit d'une couche dite `tendre'. Pour obtenir un vitrage de sécurité à faible émissivité, le verre est trempé mais la trempe doit avoir lieu avant le dépôt de la couche afin de ne pas détériorer celle-ci.

Ces couches sont plus performantes en termes d'isolation thermique que les couches dites `dures' mais elles doivent être utilisées uniquement en double vitrage car elles sont délicates.

> Les verres à couches classe A

La couche est de type pyrolytique, déposée `en ligne' à chaud pendant que la température du verre est encore au voisinage de 600°C. Ce dépôt est appelé couche `dure'. Le verre peut être trempé après le dépôt de la couche.

La trempe thermique de ces verres classe A de type pyrolytique est plus délicate que celle de verres classiques non traités. En effet, la trempe thermique pose des problèmes engendrés par la dissymétrie de rayonnement des deux faces (revêtue et non revêtue).

La chauffe symétrique nécessaire pour éviter une déformation du verre impose des consignes de chauffage différenciées sur les deux faces.

De plus, pour ne pas dégrader la couche à faible émissivité, la température atteinte avant refroidissement ne doit pas dépasser 600°C (contre près de 650°C pour la trempe thermique d'un verre clair classique). Il en résulte qu'un refroidissement plus rapide s'impose pour obtenir un verre trempé.

Tableau5 : récapitulatif des propriétés comparées des deux types de couches.

Revêtement `dur' (pyrolytique)		Revêtement `tendre' (dépôt PVD)
Avantages	Inconvénients	Avantages	Inconvénients
Bonne durabilité, manutention facile	valeur de U plus élevée.	transmission dans le visible élevée.	fragile à la manipulation, précautions nécessaires pendant la fabrication du vitrage
la vitre traitée peut être trempée	diffusion optique légèrement plus visible.	bonne clarté, peu de diffusion.	doit être utilisé exclusivement en double (ou triple)

NB : Si un vitrage est déjà en place sur un immeuble, il est encore possible d'obtenir un vitrage à faible émissivité et réflecteurs en appliquant sur ce vitrage un film plastique mince revêtu d'une couche à faible émissivité et à contrôle solaire. Ces films sont en principe utilisés seulement pour la rénovation.

1.1.5 - Les économies d'énergie

Près de 25% de la facture énergétique (chauffage et rafraîchissement) sont dus à la mauvaise qualité des vitrages en termes d'isolation thermique. L'efficacité des vitrages en ce qui concerne l'énergie est caractérisée par le coefficient U et le coefficient g (appelé SHGC pour `Solar Heat Gain Coefficient' en anglais).

Le coefficient g est exprimé par un nombre compris entre 0 et 1. Un faible coefficient g signifie moins d'apport de chaleur par le rayonnement solaire et plus d'effet d'ombrage.

Les performances d'un vitrage isolant sont caractérisées par sa valeur U. Le coefficient U, exprimé en W/ (m2.K) (watts par m2 et par degré) représente le niveau de déperdition de chaleur. Ainsi la valeur U d'un simple vitrage classique est 5,8.

La valeur U est 2,8 pour un double vitrage ordinaire et 1,9 pour un double vitrage avec couche isolante à faible émissivité déposée sur la face 3 (figure 2).

La valeur de U est abaissée à 1,1 si la l'air entre les feuilles de verre est remplacée par de l'azote. L'épaisseur totale d'un tel double vitrage est 24mm. La valeur de U pour un triple vitrage à faible émissivité et rempli d'azote est aussi basse que 0,65 W/ (m2.K).

Figure 33. isolation thermique comparées d'un simple vitrage,d'un double vitrage ordinaire et d'un double vitrage avec couches à faible emissivité

Dans un proche avenir, les vitrages isolants thermiques auront des performances encore meilleures. Ainsi, un double vitrage isolant où la lame d'air intermédiaire est remplacée par du `vide' pourrait avoir une valeur de U aussi basse que 0,6 W/ (m2.K) pour une épaisseur totale n'excédant pas 8mm. Rappelons qu'un mur sans isolation particulière a une valeur de U typique de l'ordre de 0,5 W/ (m2.K). Les meilleures performances actuelles en termes d'isolation thermique sont obtenues avec des triples vitrages composés de feuilles de verre à dépôts peu émissifs et dont les espaces sont remplis de gaz xénon. Si dans tous les cas on a intérêt à avoir une valeur de U la plus faible possible, la valeur du facteur solaire g optimale dépend du climat. Pour les pays à climats chauds (où la dépense d'énergie en climatisation est prépondérante), g doit être faible. Au contraire, dans les pays à climat froid (où les dépenses de chauffage sont prépondérantes), une valeur de g est préférable pour profiter de l'apport d'énergie solaire.

1.1.6 - La transmission spectrale

Pour caractériser de façon simple les performances optiques d'un vitrage, il est commode de mesurer le coefficient de transmission spectrale, c'est à dire la transmission en fonction de la longueur d'onde du rayonnement. La couche à faible émissivité permet de conserver une transmission lumineuse TL élevée tout en réfléchissant sélectivement le rayonnement Infrarouge (grandes longueurs d'onde). Le film plastique métallisé abaisse le coefficient de transmission lumineuse TL jusqu'à 20%, mais surtout abaisse fortement de coefficient g en réfléchissant fortement le rayonnement Infrarouge. Ce type de comportement est recherché pour les immeubles administratifs (principalement pour les façades exposées au soleil).

- Aspects théoriques

- Notions sur les transferts thermiques

La distribution du rayonnement thermique sur une surface:

La puissance incidente, caractérisée par le flux G est absorbée, réfléchie ou transmise, ce qui s'écrit (figure 35):

G = áG + ñG + ôG

Avec: a = absorbance ; p = réflectivité ; t = coefficient de transmission. Naturellement, a + p + t = 1.

Figure 34. bilan énergétique (les fflux s'expriment en W/m2 ).G est le flux de chaleur

incident en provenance de la source. J est le flux total envoyé par la surface vers la source.

1.2.2 - Le problème du transfert de chaleur à travers un vitrage

Soit à étudier le transfert de chaleur par rayonnement à travers un vitrage (figure 36) :

Figure 35. interaction entre vitrage et rayonnement.

- venant de l'intérieur : le rayonnement infra rouge émis par les objets présents et les appareils de chauffage. Il s'agit d'optimiser les échanges pour avoir :

- en été : le minimum de chaleur provenant du rayonnement extérieur

- en hiver : limiter au maximum les pertes vers l'extérieur par rayonnement.

Des économies d'énergie sont réalisées si on place une lame mince transparente dans le visible et réfléchissante dans l'IR. En effet on optimise les transferts radiatifs :

- en été, la lumière visible et surtout la chaleur sous forme de rayonnement IR provient de l'extérieur (la lumière solaire).

- en hiver, la source de rayonnement IR est essentiellement située à l'intérieur.

Un vitrage à faible émissivité est donc réalisé par un dépôt métallique de faible épaisseur (de l'ordre de 4 nm), transparent dans le visible mais réflecteur dans l'IR lointain.

2 - Les vitrages électrochromes

2.1 - Introduction

Les matériaux ou structures électrochromes ont la particularité de changer de propriétés optiques (couleur et/ou transparence lumineuse) sous l'effet d'un champ électrique appliqué.

L'effet est réversible mais il peut être rémanent ou non rémanent. Nous montrons ici deux exemples de vitrages électrochromes. Ces vitrages électrochromes fonctionnent sous basse tension et consomment une puissance électrique extrêmement faible.

2.2 - Les vitrages `obturateurs' à cristaux liquides

Description du fonctionnement

Le premier exemple est un vitrage apte à passer de l'état diffusant à l'état transparent sous l'effet d'une tension alternative de quelques dizaines de volts. Le film actif est constitué d'une matrice polymère contenant de fines gouttelettes de cristaux liquides (PDLC est l'acronyme de Polymer Dispersed Liquid Crystal).

Ces vitrages, qui sont commercialisés, même avec des dimensions importantes (plusieurs m2) sont plutôt utilisés pour les bureaux, hôtels, hôpitaux ... Les applications domestiques sont encore peu diffusées.

Au repos (lorsqu'aucune tension électrique n'est appliquée) le vitrage est translucide. Le vitrage devient transparent si la tension électrique est appliquée. Il n'y a pas d'effet `mémoire' : le vitrage redevient translucide dès que la tension électrique est supprimée. Le temps de réponse est très court (inférieur au 1/10ème de seconde).

Figure 36. Vitrage électrochrome `obturateur' à cristaux liquides.

A droite : le vitrage est opaque (pas de tension électrique)

A gauche : le vitrage est transparent (tension électrique appliquée)

Réalisation et structure du vitrage obturateur

La réalisation est obtenue en plusieurs étapes. Un liquide comprenant un mélange de molécules cristaux liquides, de molécules polymérisables (appelées monomères) et d'une petite quantité de billes de silice de très petit diamètre (quelques dizaines de microns, en fait leur diamètre correspond à l'épaisseur du film électrochrome à former) et appelées à jouer le rôle d'espaceurs est versée sur la face d'une vitre rendue conductrice par un dépôt d'ITO (voir dépôt conducteur à base d'oxyde d'étain et d'indium). Ensuite, une deuxième vitre dont la face interne est elle aussi rendue conductrice par un dépôt d'ITO est appliquée sur le film liquide. On obtient ainsi une structure `sandwich' schématisée sur la figure 37.

Figure 37. Structure d'un vitrage obturateur.
L'épaisseur du film est de quelques dizaines de micromètres.

Les `espaceurs' (en silice) maintiennent l'épaisseur du film constante et évitent tout court-circuit entre les deux électrodes transparentes. Ces espaceurs occupent un très petit volume du film et sont pratiquement Invisibles. L'épaisseur totale du vitrage est de l'ordre de 3 millimètres. La morphologie de type `microcomposite' composée d'un film mince polymère renfermant de fines gouttelettes (dont le diamètre est de l'ordre de la dizaine de micromètres) de cristaux liquides est formée au moment de la polymérisation qui provoque une séparation de phase entre molécules de cristaux liquides et molécules monomères formant le film polymère.

A l'intérieur d'une gouttelette, les molécules de cristaux liquides sont orientées les unes par rapport aux autres. Une gouttelette est donc anisotrope du point de vue optique.

Cette anisotropie est caractérisée par la présence d'un axe optique correspondant à la direction d'alignement des molécules de cristaux liquides dans la gouttelette. Au repos, les axes optiques des gouttelettes sont distribués au hasard et la lumière est diffusée (le vitrage est opaque, ou plutôt translucide) car le film PDLC n'est pas homogène (il diffuse la lumière à l'instar du brouillard qui est constitué de fines gouttelettes d'eau en suspension dans l'air).

Sous l'effet d'un champ électrique, les axes optiques des gouttelettes sont alignés. Les molécules de cristaux liquides sont choisies de telle façon que l'indice ordinaire n_o des gouttelettes soit égal à l'indice de la matrice polymère.

Le film apparaît `homogène' au rayonnement incident et la lumière n'est plus diffusée (le vitrage devient transparent) comme indiqué sur la figure 3. Rappelons que l'effet est non rémanent : le vitrage redevient translucide si la tension électrique est supprimée.

Figure 38. Principe de fonctionnement d'un vitrage `obturateur'.Sous l'effet d'une tension
électrique alternative de quelques volts, les molécules de cristaux liquides s'orientent.

2.3 - Le vitrage électrochrome `assombrissant'

2.3.1- Description du fonctionnement

Le deuxième exemple de vitrage électrochrome est basé sur le changement de transparence d'une fine couche déposée entre deux feuilles de verres. Supposons le vitrage initialement transparent.

L'application d'un courant électrique pendant un certain temps (quelques secondes à une minute) rend le vitrage `sombre'. Si le courant électrique est supprimé, le vitrage reste sombre. Pour rendre le vitrage à nouveau transparent, il suffit d'appliquer un courant électrique en sens inverse. Contrairement au cas précédent, l'effet est rémanent. Le curant électrique appliqué n'est pas alternatif mais continu.

Figure 39. vitrage électrochrome pour le bâtiment.
(A gauche : état `sombre' A droite : état `clair').

2.3.2- Applications

Ce type de vitrage trouve des applications dans le domaine du bâtiment, comme en témoigne la figure (39), mais aussi dans le domaine du transport automobile (haut de gamme). Par exemple, le toit en verre rétractable et repliable qui équipe la Ferrari Superamerica a été mis au point par Saint-Gobain. Une commande au tableau de bord permet d'ajuster l'opacité sur 5 niveaux, depuis l'état `clair' jusqu'à un état très `sombre'. Les rétroviseurs électrochromes qui équipent certains véhicules et sensés éviter l'éblouissement par les véhicules suiveurs sont basés sur ce principe (ici, le changement de transparence est commandé automatiquement par une cellule photoélectrique).

2.3.3- Réalisation et structure du vitrage assombrissant

La structure ressemble à la précédente : le film mince électrochrome est placé entre deux feuilles de verre. La face interne de chaque feuille de verre est rendue conductrice par un dépôt d'ITO. Ces films d'ITO servent d'électrodes transparentes. Le changement contrôlé de transparence est basé sur le changement de composition d'un film mince (ici de l'oxyde de tungstène WO3) entraînant un changement d'absorption optique figure (41).

Ce système est commandé par un courant continu. Initialement le film WO3 est transparent. L'application d'une tension électrique entraîne la migration d'ions métalliques M+ vers la couche d'oxyde de tungstène qui change de composition et devient absorbante (bleu foncé).

Si la tension est supprimée, le vitrage reste sombre : l'effet est rémanent. Pour revenir à l'état clair, il suffit d'appliquer une tension électrique en sens opposé : l'effet est donc rémanent mais réversible.

Figure 40.Principe de fonctionnement d'un verre electrechrome à transparence controlée.

3- Les vitrages thermochromes : vers un contrôle solaire `intelligent'

3.1 - Introduction : la thermochromie

Un matériau thermochrome, par définition, est un matériau dont les propriétés optiques changent en fonction de la température et ceci de façon réversible ou quasi réversible.

Dans la vie courante, les matériaux thermochromes sont de type organique, comme par exemple les cristaux liquides de type cholestérique ou des molécules formant des pigments appelés `leuco colorants'. Ces matériaux thermochromes sensibles vers la température ordinaire trouvent des applications dans le domaine grand public. Un exemple est donné par des encres pour étiquettes collées sur des bouteilles pour vérifier si la température optimale est atteinte ou encore des encres pour étiquettes de boîtes de médicaments pour vérifier que la température de conservation est suffisamment basse.

Une application en voie de développement des matériaux thermochromes est l'application de peinture sur la chaussée changeant de couleur vers 0°C (la peinture passe de l'état `transparent' à haute température mais prend une couleur rouge si la température devient inférieure à +1°C) donnant ainsi l'alerte en cas de risque de verglas.Les applications des matériaux thermochromes ne se limitent pas aux basses températures.Citons l'indicateur de sécurité pour température élevée d'appareil de chauffage, certaines parties de moteurs ou encore l'indicateur de température optimale atteinte pour cuisson (exemple : thermospot).

3.2 - Les dépôts et couches thermochromes pour vitrages

L'effet thermochrome souhaité pour une application vitrage est le passage réversible d'un état transparent vers un état plutôt sombre ou réfléchissant au-dessus d'une certaine température.

Certains verres contenant des nanoparticules de composés métalliques (diamètres de l'ordre de quelques millièmes de micromètres) sont susceptibles de présenter cet effet. Ceci a été réalisé au niveau expérimental. Cependant la température correspondant au changement de comportement se situe vers quelques centaines de degrés, ce qui n'est pas intéressant dans le cas d'une application pour vitrages. Il faut donc trouver un matériau présentant l'effet thermochrome au voisinage de la température ordinaire ou quelque peu supérieure.

Il est possible de déposer un film thermochrome de nature organique (un film de cristaux liquides par exemple) sur une vitre en verre, ou plutôt entre deux feuilles de verres, l'ensemble réalisant un vitrage appelé thermochrome. Une autre méthode est un dépôt d'oxyde métallique judicieusement choisi, qui présente un pouvoir réflecteur sélectif pour la lumière visible et pour le rayonnement Infrarouge.

Il existe des matériaux thermochromes minéraux, qui se présentent généralement sous forme de dépôts (les couches sont réalisées par PVD). Les propriétés optiques sont affectées par suite de changement de phase (passage de l'état semi-conducteur clair vers un comportement de type métallique absorbant).

Un inconvénient est que les températures de transformation sont plutôt élevées comme l'indique le tableau :

Tableau 6 : Températures de transformation de quelque oxyde.

Matériau	Tc (°C)
NbO2	800
BiVO4	300
AL2-xCrxO3	183...377
VO2	68

Parmi ces oxydes, l'oxyde de vanadium est le plus intéressant pour l'application vitrage. L'effet thermochrome de l'oxyde de vanadium est provoqué par le changement de phase accompagné d'un changement de comportement semi-conducteur ? métal rendant le matériau transparent à basse température et absorbant à température élevée.

Cet effet est réversible :

Semi conducteur ? Tc (68°C) ? comportement métallique (transparent) (absorbant).

A la température de transition, la résistivité électrique change de 4 ordres de grandeur. Le matériau est mauvais conducteur de l'électricité à basse température (résistivité de l'ordre de 100 ~ .Cm) et meilleur conducteur à haute température (résistivité de l'ordre de 0,01 .Cm). Ce passage de l'état plutôt isolant vers un état plutôt conducteur explique le changement des propriétés optiques.

Lorsque la transition se produit, la transmission optique dans l'Infrarouge (longueur d'onde ë égale ou supérieure à 3jtm) passe de 70% à 30%, alors que la transmission dans la partie visible du spectre est peu affectée, ce qui est très intéressant pour le contrôle `intelligent' de transfert thermique figure (42). Ce revêtement est appelé `spectralement sélectif'.

Figure 41. Structure d'un vitrage `intelligent' thermochrome. Le contrôle solaire s'ajuste automatiquement en fonction de la saison.

Par dopage de l'oxyde de vanadium VO2, il est possible de modifier la température de transition Tc et obtenir une température de transition de +10°C jusqu'à 70°C.

Par exemple, le dopage de l'oxyde de vanadium avec 1,9% de tungstène abaisse la température de transition vers 29°C.

Ainsi, le dépôt sur un vitrage d'un couche mince d'oxyde de vanadium convenablement dopé pour avoir une température de transition vers 30°C, pourrait être considéré comme une version `automatique' et `intelligente' de vitrage à isolation thermique renforcée. Il s'agit d'un verre fonctionnel `innovant'.

Un inconvénient pour sa commercialisation est un abaissement de transparence pour la lumière visible et une légère tendance à être coloré en jaune. De grands progrès ont été réalisés récemment, basés sur des dépôts de couches multiples et un contrôle de l'épaisseur. Ces progrès permettent d'envisager une application pratique prochaine.

Il faut aussi noter parmi ces progrès qu'un mode de dépôt où l'oxyde de vanadium est formé de grains de très petites tailles (quelques nanomètres) permet d'abaisser la température de transformation de 68°C à près de 30°C, ce qui est appréciable pour une application vitrage.

3.3 - Autres variétés de vitrages thermochromes

Il existe d'autres possibilités pour qu'un vitrage soit thermochrome.

Première variété : la pose sur un vitrage existant d'un film constitué par une solution de polymère et d'eau prise en sandwich entre deux films très minces de polymère. Ce film est pratiquement transparent à basse température mais laisse passer peu la lumière si la température dépasse une certaine valeur.

Une autre variété de vitrages thermochromes est constituée non pas par des verres à couches minces mais par des vitrages feuilletés thermochromes. La couche intermédiaire est un polymère dopé avec des complexes de métaux de transition. Les métaux dans ces complexes changent de coordination, modifiant ainsi la transmission et la couleur du film polymère sous l'effet de la température. Le vitrage s'adapte automatiquement en fonction des conditions climatiques. Là encore il s'agit d'obtenir un vitrage thermochrome `auto adaptatif' en fonction des conditions climatiques, mais l'avantage du film VO2 est qu'il s'agit d'une version `tout minéral' de bonne durabilité.

4 - Modification des propriétés optiques du verre par dépôts multicouches diélectriques (transparents)

4.1 - Introduction

Lorsque qu'une onde lumineuse qui se propage dans l'air arrive sur la surface d'un verre, une fraction de l'intensité du rayonnement lumineux est réfléchie. On appelle coefficient de réflexion R le rapport entre l'intensité lumineuse réfléchie et l'intensité lumineuse incidente.

Le coefficient de réflexion dépend de l'angle d'incidence. Si les rayons lumineux arrivent perpendiculairement à la surface du verre, environ 4% de l'intensité lumineuse est réfléchie.

Ainsi, puisque la vitre a deux faces, c'est donc environ 8% de l'intensité lumineuse qui est réfléchie. Ces reflets peuvent être gênants. Dans ce cas, il faudrait trouver une méthode pour réduire ces reflets. Au contraire, dans certaines applications, il peut être intéressant d'avoir un facteur de réflexion R très élevé.

De plus, pour des applications plus spécifiques, il est souhaitable d'avoir un coefficient de réflexion dont la valeur est contrôlée selon la `couleur' du rayonnement lumineux incident.

Il s'agit donc de modifier le coefficient de réflexion du verre par des dépôts judicieusement choisis. Ce contrôle sélectif du coefficient de réflexion R d'un verre est obtenu par un dépôt, généralement multicouche, de films diélectriques (c'est-à-dire transparents et donc non absorbants) de très faible épaisseur. Les cas des dépôts métalliques et à faible émissivité seront traités dans d'autres chapitres.

4.2 - Applications pratiques des traitements `anti-reflets'

4.2.1 - Dans le domaine du bâtiment et de l'architecture

Les traitements anti-réfléchissants sont utilisés pour les vitrines d'exposition (musées, vitrines de magasins), rendant ainsi plus commode l'observation des objets sans reflets parasites. Les cabines de presse dans les stades font appel aussi à des vitres anti- réfléchissantes car l'intérieur est fortement éclairé en comparaison avec l'extérieur. Le traitement anti-réfléchissant n'est pas toujours souhaitable dans le domaine du bâtiment. C'est le cas en particulier, des portes constituées d'une feuille de verre (aéroports, halls d'accueil du public ...), des abris bus urbains etc. ... Il est même recommandé dans cette application illustrée par la figure (43) d'utiliser des verres comportant une sérigraphie.

Figure 42. Il n'est pas souhaitable que les feuilles de verre
utilisées pour les portes de bâtiments avec accès au public
et le mobilier urbain soient traitées anti-réfléchissantes. Au
contraire, ces feuilles comportent des sérigraphies afin
d'être visibles !

4.2.2 - Dans le domaine de l'optique

Les traitements multicouches anti-réfléchissants

sont très utilisés dans les instruments d'optique et la lunetterie. Ces traitements sont très utiles pour augmenter la luminosité des objectifs d'appareils photographiques et éliminer les reflets parasites provoqués par des réflexions multiples.

4.2.3 - Dans le domaine des énergies renouvelables

Pour augmenter le rendement des cellules solaires (photovoltaïques et thermiques), les verres de protections sont revêtus de couches antiréfléchissantes.

4.3 - Applications pratiques des traitements `semi-réfléchissants' et

`réfléchissants'

Ces traitements de surface du verre sont essentiellement utilisés dans le domaine de l'instrumentation optique. Nous donnons ici des exemples d'application.

Application 1 : le dépôt sur du verre d'une couche transparente d'indice de réfraction élevé, par exemple d'oxyde de titane, est utilisé pour produire un effet décoratif par réflexion sélective. Ce dépôt est obtenu en condition industrielle par pulvérisation PVD magnétron.

Application 2 : La cavité résonnante d'un LASER utilise un traitement réfléchissant voisin de 1 pour une couleur (c'est-à-dire une longueur d'onde) bien précise : celle du rayonnement émis par le LASER.

Application 3 : Les présentateurs de journaux télévisés utilisent souvent un `prompteur'. Cet appareil, qui met en oeuvre une glace semi-réfléchissante, permet de lire un texte déroulant tout en fixant la caméra de prise de vue.

Application 4 : il peut être intéressant dans certains instruments d'optique scientifique de disposer de deux faisceaux de même intensité lumineuse issus d'une seule source. Ceci est obtenu en utilisant un `séparateur de faisceaux' élaboré à partir d'un verre traité `semi réfléchissant'.

4.4 - Applications pratiques des traitements réfléchissants sélectifs

L'application la plus courante des miroirs sélectifs est la réalisation de `miroirs froids'. Les miroirs `froids' permettent un éclairage efficace et intense en lumière visible tout en minimisant le chauffage indésirable par infrarouge et trouvent des applications concrètes.

On peut citer comme exemples les spots d'éclairage de vitrine de magasins, de vitrines d'exposition de musées, sans oublier les miroirs utilisés en salles d'opérations chirurgicales etc. ... Ces dépôts sélectifs multicouches sont obtenus par procédé PVD. (Voir aussi le chapitre verres à faible émissivité et à contrôle solaire).

4.5 - Aspects théoriques : le coefficient de réflexion d'une surface de verre

Un rayonnement lumineux incident sur la surface de séparation air/verre subit d'une part une réflexion, alors que d'autre part une partie de l'intensité lumineuse est transmise (réfraction).

Figure 43.ondes incidente, réfléchie et transmise à la surface du verre. Dans le cas qui nous
intéresse, le milieu 1 est l'air et le milieu 2 est le verre.

Considérons les lois de Descartes de réflexion et de réfraction figure (44) portant sur les angles des rayons incident i1, réfléchi i'1 et réfracté i2 :

Le coefficient de réflexion dépend de l'angle d'incidence i1 et de l'état de polarisation de l'onde incidente. Dans ce qui suit, on s'intéressera essentiellement au cas de l'incidence normale (i1=0), ce qui correspond à la situation la plus courante.

Dans le cas de l'incidence normale, en supposant que le milieu 1 est le vide ou l'air (n1=1 ou 1,00293, respectivement), et que le milieu 2 est un verre courant (n2 voisin de 1,5), le coefficient de réflexion R est :

D'après cette équation, il en résulte que le coefficient de réflexion R de la surface du verre est égal à 0,04 et donc que le coefficient de transmission T est égal à 1-R, soit 0,96.

Figure 45. Les ondes multiples (dépôt monocouche)

Dans certaines applications, il peut être intéressant d'avoir R proche de 0 et dans d'autres applications R voisin de 1, ou encore de l'ordre de 0,5. Pour ajuster le coefficient de réflexion (et donc de transmission), pour un verre donné, il convient de modifier sa surface. Ceci peut être obtenu par des dépôts de couches minces diélectriques (c'est-à-dire transparentes et non absorbantes).

4.6 - Aspects théoriques : les dépôts simples `monocouches'

Soit une couche mince et transparente d'indice n0, déposée sur du verre d'indice n2. Un calcul simplifié avec 2 ondes donne facilement les conditions pour avoir un coefficient de réflexion fort ou faible, selon que les ondes réfléchies 1 et 2 figure (45) sont en phase ou en opposition de phase.

Figure 44. Ondes incidente, réfléchie et transmise (verre à une seule couche).

La lumière réfléchie est composée de deux ondes: une onde provenant de la réflexion sur la surface air/dépôt et une onde réfléchie sur la surface dépôt/verre. Les ondes étant cohérentes, il faut additionner non pas les intensités mais les `vibrations' ou champs électriques (interférences).

Le calcul plus rigoureux demande de prendre en considération les réflexions multiples dans la couche dont les coefficients de réflexion sont R1 et R2 figure (46). Après avoir effectué la sommation des ondes multiples (il y en a une infinité, et dont l'amplitude est décroissante), on peut calculer les conditions et performances de traitements réfléchissants et anti-réfléchissantes.

Deux cas sont à étudier : le revêtement antireflet et le revêtement réfléchissant. Les différents milieux sont supposés parfaits (donc non absorbants).

Soit ë0 la longueur d'onde de la lumière incidente.

4.6.1 - Traitement antireflet

Soit ë0 la longueur d'onde du rayonnement incident. On peut montrer que le traitement antireflet est obtenu si les deux conditions suivantes sont remplies :

a) l'indice de la couche n0 doit être inférieur à celui du verre n2.n1<n0<n2

b) l'épaisseur e de la couche est donnée par : n0 e = ë0/4 + k ë0/2

Où k est un nombre entier.

Ce dépôt est donc une couche appelée lame appelée `quart d'onde'. Le coefficient de réflexion minimum est :

Le coefficient de réflexion est nul si :

Pour qu'une surface de verre d'indice n2=1,5 présente un coefficient de réflexion nul, il faudrait un dépôt d'indice 1,23. C'est une valeur très faible. Il faut en outre que le dépôt soit réalisé avec un matériau de bonne durabilité chimique et mécanique, adhérant au verre et pouvant être déposé par un moyen commode industriel (PVD par exemple). Les matériaux qui conviendraient le mieux seraient:

- le fluorure de magnésium MgF2 (indice 1,38)

- la cryolite Na3AlF6 (indice 1,35)

Si :

Alors le coefficient de réflexion sera minimum pour ë = ë0.

Un traitement anti-réfléchissant par dépôt de MgF2 abaisse le coefficient de réflexion de la valeur initiale (verre sans dépôt) 4% à 1,2% (figure 47).

Figure 46. Réponse spectrale d'un dépôt monocouche anti-réfléchissantes

Le dépôt est ajusté pour que le coefficient de réflexion R soit minimum pour la longueur l'onde ë 0=0,55 _m (centre du spectre visible).

A noter :

Si le dépôt est épais (k élevé), alors l'intensité sera nulle pour plusieurs valeurs de la longueur d'onde dans le domaine visible du spectre. Dans la figure, on a représenté les cas k=0, k=1 et k=2.

La valeur de R en fonction de la longueur d'onde explique l'effet décoratif obtenu par des couches minces d'oxyde de titane sur du verre.

Mais il y a deux problèmes car :

1) le minimum n'est pas nul

2) le calcul suppose une lumière monochromatique de longueur d'onde ë0

, alors qu'on souhaite en général une réponse sur un spectre étendu (le spectre de lumière visible, par exemple). Pour pallier ces inconvénients, il faut utiliser des dépôts multicouches.

4.6.2 - Traitement réfléchissant

Pour obtenir un traitement à fort pouvoir réflecteur, il faut que l'indice de réfraction de la couche soit supérieur à celui du verre. C'est le cas par exemple de l'oxyde de titane. Le coefficient de réflexion est maximum si l'épaisseur e de la couche est donnée par :

n0 e = ë0/4 + k ë0/2

Où k est un nombre entier.

Comme précédemment, il s'agit d'un dépôt `quart d'onde'. Par exemple, si on souhaite obtenir des reflets bleus (longueur d'onde 0,45 jtm) en éclairant un objet en verre par de la lumière blanche il faut un dépôt d'oxyde de titane (indice égal à 2,28) d'épaisseur environ 0,05 JLm.

4.7 - Les dépôts `multicouches'

4.7.1 - Traitement anti-reflets

La figure 47 donne l'exemple d'un revêtement à 4 couches d'indices de réfraction et d'épaisseurs tels que :

n1e1 = n2e2 = n3e3 = n4e4 = 0,485 jim n1=1,38 ; n2=2,2 ; n3=2,43 ; n4=1,887

Figure 47. Exemple de réponse spectrale d'un traitement anti-reflets à 4 couches : n1e1 = n2e2 = n3e3 = n4e4 = 0,485 mm

n1=1,38 ; n2=2,2 ; n3=2,43 ; n4=1,887

4.7.2 - Couches à fort coefficient de réflexion :

Il existe deux solutions : soit un dépôt métallique, soit un dépôt diélectrique non absorbant (simple couche ou à couches multiples).

Dans le cas d'un dépôt métallique, les coefficients de réflexion obtenus sont :

R=0,96 (argent)

R=0,92 (aluminium)

Si on utilise des dépôts diélectriques non absorbants, on obtient un résultat médiocre avec un simple dépôt monocouche d'indice élevé. Par exemple, avec une couche de ZnS (indice 2,35) sur du verre d'indice 1,5 on a: R=0,3.

Pour atteindre des pouvoirs réflecteurs très élevés, il est nécessaire d'avoir recours à des systèmes multicouches constitués par des couches alternées de faible indice et de fort indice et d'épaisseur optique e `'quart d'onde» ë0/4 (rappelons que l'épaisseur optique est égale à l'épaisseur de la couche multipliée par l'indice de réfraction de la couche), ë0 étant la longueur d'onde du rayonnement pour laquelle on veut obtenir le pouvoir réflecteur maximal.

La figure (47) donne à titre d'exemple la variation du coefficient réflecteur R en fonction de ë/ ë0 pour un dépôt constitué de 5 doublets de couches d'indices de réfraction respectif n1=1,38 et n2=2,3.

Avec un système multicouche déposé sur du verre d'indice n, constitué de 5 doublets comme indiqué sur la figure (49), on a le dépôt des 5 doublets sur du verre d'indice n=1,5 donne:

R=0,98 Il est possible avec des dépôts plus élaborés d'obtenir R=0,999. Cette valeur, qui dépasse de loin le coefficient de réflexion d'un métal, et qui de plus correspond à une absorption nulle, est intéressante pour la réalisation de LASERS.

Figure 48. Exemple de traitement multicouche à fort coefficient de réflexion constitué de 5
doublets et sa réponse spectrale.

4.7.3 - Traitement pour réflexion sélective

Il s'agit de réaliser des systèmes présentant un coefficient de réflexion variable selon la longueur d'onde, pour obtenir par exemple:

- des miroirs `froids' transparents pour l'Infrarouge (IR) et ne réfléchissant que la lumière visible - des miroirs `chauds' transparent pour le visible et réfléchissant l'Infrarouge.

- des miroirs dichroïques permettant de séparer des faisceaux `de couleurs différentes'. Exemple de `miroir froid'.

Cette application impose certaines conditions :

1) un coefficient de réflexion élevé (au moins 95-98%) dans le spectre visible (longueurs d'onde: 400 à 700 nm).

2) une transmission élevée dans le proche IR (800 à 2500 nm).

3) une diffusion et absorption dans les couches du dépôt faible (<1%)

4) une bonne reproductibilité de température de couleur (en réflexion)

5) une bonne stabilité thermique des couches du dépôt (>250-400°C)

6) une durée de vie supérieure à 5000 heures sous éclairage intense

Comme cela a été signalé, ces miroirs sont constitués par un empilement alterné de matériaux transparents d'indice élevé et faible.

Les matériaux utilisables dans la pratique sont :

- pour les indices faibles : MgF2 (1,35) ou SiO2 (1,46)

- pour les indices élevés : TiO2 (2,28) et ZnS (2,4)

Les systèmes couramment utilisés sont :

a) MgF2 et ZnS (`réflecteur doux')

b) SiO2 et ZnS (`réflecteur semi dur')

c) SiO2 et TiO2 (`réflecteur dur')

Applications des miroirs `froids' :

Les miroirs `froids' qui permettent un éclairage efficace et intense en lumière visible et en minimisant le chauffage indésirable par infrarouge trouvent des applications concrètes.

On peut citer comme exemples les spots d'éclairage de vitrines de magasins, de vitrines d'exposition de musées, de salles d'opérations chirurgicales etc. ... La figure (49) donne la réponse spectrale d'un miroir froid constitué par un dépôt de 23 couches et d'épaisseur totale égale à 2 micromètre. Les couches successives ont été produites par technique PVD.

Figure 49. Réponse spectrale d'un miroir `froid' composé de 23 couches diélectriques : 11 couches
de faible indice (silice) alternées avec 12 couches de fort indice (TiO2). L'épaisseur totale du dépôt
est égale à 2 JLm.

A noter que le coefficient de réflexion est presque égal à l'unité dans la totalité du domaine visible et pratiquement nul en dehors de ce domaine : le miroir est transparent dans l'Infra-rouge et l'Ultra-violet.

5 - Le vitrage autonettoyant

5.1 - Introduction

Les architectes conçoivent des immeubles de grandes dimensions (hauteurs). Ces façades de grandes surfaces et de grandes hauteurs posent un problème car elles sont difficiles à atteindre et donc difficiles à nettoyer. En 2001, la société Pilkington a commencé à commercialiser le vitrage `autonettoyant', suivie par Saint-Gobain ... et d'autres manufacturiers.

Le principe d'un vitrage autonettoyant est basé sur une couche transparente déposée en face 1 et qui a la particularité d'être photocatalytique (sous l'effet des UV A de la lumière solaire) et hyper hydrophile. L'effet photocatalytique provoque la destruction d'impuretés déposées sur la vitre tandis que la propriété de superhydrophilicité favorise l'élimination de ces impuretés avec la pluie.

5.2 - Principe d'un vitrage autonettoyant

Plusieurs composés sont capables de provoquer l'effet photocatalytique favorisant la destruction de composés organiques comme par exemple:

TiO2, SnO2, WO3, ZnO, CdS ... L'oxyde de titane TiO2 (sous forme cristalline anatase) est le plus actif et de plus présente un aspect d'hyperphilicité.

Le principe actif d'un vitrage autonettoyant est un mince film d'oxyde de titane TiO2 déposé sur la face extérieure de la vitre. Sous l'effet du rayonnement solaire, ce film provoque des réactions d'oxydo-réduction qui détruisent les composés organiques en formant du CO2 et de l'eau. Le nettoyage de la surface de la vitre est obtenu par la pluie qui achève l'action par lavage. L'effet hydrophile empêche la formation de gouttelettes d'eau qui concentreraient les impuretés et laisseraient des traces après séchage. En outre, l'eau formant un film mince sur la vitre est évacuée rapidement par évaporation.

Un verre autonettoyant est donc efficace quand il est exposé alternativement au soleil et à la pluie. Cette action n'est pas efficace directement pour la destruction particules minérales, mais diminue considérablement leur adhésion au vitrage par élimination des salissures organiques. Les salissures minérales sont donc aussi éliminées avec la pluie.

5.3 - Caractéristiques et techniques de dépôt du film autonettoyant TiO2

a) le film doit être déposé en face 1 du vitrage Il s'agit d'une couche mince transparente d'oxyde de titane TiO2 sous forme anatase. Le dépôt est généralement est appliqué `en ligne' à haute température pendant la fabrication de la feuille de verre.

b) Il s'agit donc d'un dépôt de type pyrolytique transparent d'oxyde de titane, dit `dépôt dur', est très résistant chimiquement et mécaniquement, ce qui est indispensable pour une

application en face1 (face extérieure). En outre, la manipulation est plus facile et le délai de stockage `avant pose' n'est pas limité.

c) l'épaisseur du dépôt est de quelques dizaines de nm (quelques millièmes de micromètres).

d) les vitrages autonettoyants réduisent la transmission des rayonnements UV (A et B) de 20 à 40 % ce qui est un avantage certain.

d) la pollution possible par les ions sodium Na+ provenant du verre pourrait poser un problème si l'épaisseur du dépôt était trop faible.

e) outre le dépôt pyrolytique en ligne (qui est le dépôt le plus courant), d'autres procédés de dépôt sont possibles :

- l'enduction, non utilisée pour les vitrages (poudre de TiO2 + liant)

- le dépôt par procédé sol-gel (`dip coating'), suivi d'un recuit à haute température (300°C à400°C) pendant lequel le composé organo-métallique est transformé en oxyde de titane.

5.5 - Aspects théoriques des effets photocatalytique et hyperhydrophile de l'oxyde de titane

L'oxyde de titane TiO2 est un matériau présent dans de nombreux produits de la vie courante (pigments de peinture, cosmétiques, denrées alimentaires). Il se présente sous trois formes cristallines : rutile, anatase et brookite. La photoactivité de TiO2 est connue depuis plus de soixante ans. C'est sous sa forme anatase (densité 3,9) que l'oxyde de titane présente la plus grande activité de photo catalyse et d'hydrophobicité photo-induite. Les dépôts CVD sont sous forme anatase.

L'anatase est un semi-conducteur. L'énergie de sa bande interdite est 3,2 eV, ce qui signifie que des photons d'énergie au moins égale à cette valeur peuvent créer des porteurs de charge libres. C'est le cas des UV A (de longueur d'onde égale ou inférieure à 0,38 jtm) de la lumière solaire. Ainsi, l'anatase est transparent à la lumière visible (surtout sous forme de film mince) mais à tendance à absorber le rayonnement UV.

La figure (50) montre le mécanisme photochimique conduisant à la dégradation des salissures organiques déposées sur la surface de l'oxyde de titane.

Tout d'abord un photon UV crée une paire de porteurs de charges électriques mobiles (l'électron qui laisse une place vacante appelée `trou'). Ces porteurs de charges migrent à la surface et créent des radicaux par interaction avec des molécules d'eau et d'oxygène de l'atmosphère.

Les radicaux ainsi créés .O2- et .OH vont dégrader activement les salissures organiques par suite de réactions d'oxydo-réduction. Les salissures constituées de molécules organiques ainsi dégradées vont être éliminées par l'eau de pluie grâce à l'effet d'hyperphilicité de l'anatase.

Figure 50. Réactions d'oxydo-réduction photoinduites à la surface de l'oxyde de titane

A : formation photoinduite d'une paire de porteurs de charge mobiles (électron + `trou')

B : formation de radicaux responsables des réactions d'oxydo-réduction.

La figure (51) montre de façon schématique le mécanisme d'hyperphilicité photoinduite oxyde de titane. Les photons UV (de la lumière solaire) induisent la formation de lacunes d'oxygène à la surface de l'oxyde de titane, ce qui favorise l'adsorption de molécules d'eau est facilité. Les molécules d'eau se dissocient et des groupes hydroxyles -OH se forment surface, rendant ainsi la surface de l'oxyde de titane hyperhydrophile.

Figure 51.Mécanisme de l'hydraulicité photoinduite de l'oxyde de titane

6-Le verre émaillé et le verre sérigraphié

6.1-Définition

Le verre émaillé ou sérigraphié est un produit trempé dont une face (ou les deux) est revêtue d'une (ou plusieurs) couche d'émaux colorés, opaques, vitrifiés au cours de la trempe thermique. Tous les verres trempables peuvent être émaillés ou sérigraphié.

Le processus de l'émaillage et de la sérigraphie se déroule de la façon suivante :

Dépôt de l'émail

Découpe du verre

Façonnage, lavage et séchage

- trempe

Chauffage du verre émaillé ou sérigraphié

Séchage de l'émail

Figure52.Processus de l'émaillage et de la sérigraphie des verres.

6.2-L'émaillage :

6.2.1-Définition d'un émail :

C'est un verre fusible à 600°C environ, auquel on a ajouté un colorant appelé en terme technique "pigment". Pour que l'émail soit plus fusible que le verre, on utilise des "frittes" de verre de composition spéciale (plus fondant, à base de borosilicate de plomb. Il existe également des émaux sans plomb. Les pigments sont des oxydes minéraux qui donnent la couleur à l'émail. Ils sont portés à haute température pour rendre la teinte stable.

6.2.2-Techniques d'émaillage :

> Enduction au rideau

Cette technique est utilisée pour les grandes séries. Elle assure une excellente opacité avec une consommation d'émail réduite. Un convoyeur à vitesse variable entraîne les volumes à émailler sous une tête d'épandage. La tête est un bac suspendu possédant une fente à sa base. Cette tête est remplis d'émail en suspension, un film s'écoule par la fente, les volumes crèvent le film à grande vitesse et entraînent une quantité d'émail sur leur face supérieure. La quantité d'émail déposée est fonction de la vitesse de passage sous la tête, la viscosité de l'émail et l'ouverture de la fuite. L'émail provenant d'un bac avec agitateur est sans cesse recyclé. Ce procédé évite les taches d'émail sur la face inférieure.

> Enduction au pistolet

Le pistolet pulvérisateur est supporté par un bras mécanique qui fait subir à celui-ci un mouvement perpendiculaire de va-et-vient par rapport aux volumes qui avancent sur un transporteur à rouleaux sous la pulvérisation.

La vitesse du pistolet est réglée par rapport à la vitesse de défilement du volume. Ce procédé pollue la face inférieure et les chants ; un nettoyage soigneux des volumes avant trempe est impératif.

> Enduction par rouleau

L'enduction est réalisée par un rouleau, lui-même enrobé par un rouleau imprégnateur baignant dans le bac contenant les émaux. Cette technique est réservée aux grandes séries. Elle est très économique quant à la consommation d'émail. Elle assure une excellente opacité, sans pollution des chants et de la face inférieure.

7-la sérigraphie :

La particularité de la sérigraphie par rapport aux autres techniques d'impression est que l'on imprime à travers le cliché sur le support et non pas comme dans les autres techniques, par report du cliché sur le support. Pour ce faire, on utilise un écran composé d'un tissu synthétique (polyester) tendu sur un cadre métallique. Sous cet écran (dit cliché), on pose le support (verre) destiné à recevoir l'impression.

Ce cliché est obtenu par une méthode photo mécanique directe de telle façon que les mailles du tissu soient obturées dans les endroits qui ne doivent pas être imprimés et ouvertes dans les parties de dessin qui doivent être reproduites. L'émail, déposé sur le dessus de l'écran à l'intérieur du cadre, est pressé à travers les mailles ouvertes de l'écran à l'aide de la raclette (lame de caoutchouc) .Cette opération est suivie d'un séchage ou polymérisation afin de faciliter les manutentions du produit imprimé ou de permettre d'autres impressions. Cette polymérisation est indispensable pour éviter le phénomène de craquelure lors de la trempe du volume. Le cycle de sérigraphie avec émaux est achevé par la trempe qui permet de cuire les émaux (environ 650°C).

8-Caractérisation des couches minces

La caractérisation d'une couche mince s'effectue par la méthode suivante: mesure de 1'épaisseur, caractérisations structurales et analyse de la composition

8.1-Mesure de I' épaisseur :

La caractéristique essentielle d'une couche mince étant sa faible épaisseur, Deux grandes familiers de méthodes de mesure de 1'épaisseur sont présentes sur le marche : celles qui permettent la mesure en temps réel au moment de la fabrication et celles qui font appel a des procèdes en temps diffère. [8].

> Les méthodes par micropesée :

Eu égard aux dimensions réduites, la masse d'une couche mince est toujours exprimée en microgrammes et le matériel de mesure doit donc être très spécifique. Dans les années 60 deux techniques ont été développées, 1'une, dite microbalance a fil de torsion est quasiment abandonnée après avoir suscite beaucoup d'espoirs, 1'autre, microbalance a quartz vibrant, imaginée simultanément par Gunther SAUERBREY en Allemagne et Pierre LOSTIS en France, constitue actuellement le procède privilégie de mesure de 1'épaisseur d'une couche mince pendant sa formation.

> Procèdes optiques :

Le plus connu est plus employé comme moyen de contrôle d'une microbalance quartz (étalonnage en cas de nouveau type de dépôt ou déplacement de quartz) que véritablement comme moyen de mesure de routine car il est en temps diffère et de plus destructeur de la couche le plus souvent. Son principe est base sur la génération de franges d'interférence entre un faisceau lumineux monochromatique incident et réfléchi par la couche, selon la méthode du coin d'air.

8.2-Détermination de la structure.

En métallurgie des poudres ou des monocristaux, on a coutume d'analyser la structure des matériaux par le biais de la diffraction des rayons X traversant ledit matériau. Avec les films, eu égard a leur faible épaisseur, cette technique manque de sensibilité, de plus la présence d'un substrat conduit généralement a des interférences complémentaires du type orientation préférentielle des grains, macro et micro contraintes liées au processus de préparation.

II faudra donc prendre des précautions particulières si on veut a 1'aide des RX obtenir des informations utiles sur la structure (ainsi un substrat monocristallin typique d'une application sur semiconducteurs, induit des angles de diffraction spécifiques qui se superposent et dépassent en intensité le signal couche mince).

La solution dans ce cas consiste à orienter le substrat par rapport au faisceau de telle sorte que la condition de Bragg ne puisse être satisfaite pour le substrat, ce qui en général n'aura pas d'incidence sur le film qui est le plus souvent polycristallin. II n'empêche que si le film est trop mince (<200nm) on aura du mal à voir quelque chose.

8.3-Morphologie d'une couche mince

Le microscope a balayage (MEB) peut être utilise pour 1'étude analytique des surfaces sous fort grossissement. Par rapport au microscope optique il présente 1'avantage essentiel d'une résolution accrue et d'une profondeur de champ importante, mais en plus le bombardement d'une surface par des électrons peut induire tout un ensemble de phénomènes exploitables pour 1'analyse.

8.4-Analyses des contraintes

La direction d'une contrainte dans un film peut être déterminée parfois par simple examen à 1'oeil nu dans le cas d'un substrat mince reconverti sur une seule face. Si la cote recouverte est concave, la couche est en tension, elle est comprimée dans le cas inverse. La mesure du rayon de courbure donne la contrainte :

S = (E/6(l-v) r} (t_s ²/tf) relation dans laquelle :

· E module d'Young du matériau, v coefficient de Poisson du substrat, t_s épaisseur du substrat.

· tf épaisseur du film, r rayon de courbure.

En fait la validité de cette relation nécessite deux conditions principales : une liaison importante entre le film et le substrat et pas de déformation plastique a I' interface. Cela signifie que lors du dépôt, et tout particulièrement au début, il n'y a pas eu de variation anormale de la température. On devra donc prendre garde à ce problème thermique lors de la réalisation [8].

8.5-Adhérences

On vient de signaler 1'importance de 1'adhérence dans 1'évaluation significative des contraintes. II apparait très difficile de préciser quantitativement les interactions atomiques ou moléculaires responsables de cette adhérence.

8.6- compositions

L'aspect le plus important d'une caractérisation de couche mince est sans doute 1'analyse de sa composition. Les méthodes analytiques, classiques avec les matériaux massifs, sont le plus souvent utilisées [8].

Chapitre IV Le verre feuilleté

1- Généralités sur Le verre feuilleté

1-1 Historique :

En 1909, un chimiste français, Edouard Benedictus, fit tomber un jour, en rangeant son laboratoire, un flacon contenant une solution de nitrocellulose. Il constata avec surprise qu'au lieu de voler en éclats, le flacon, bien que fendillé en étoile ne s'était pas brisé. Il invente alors ce qui deviendra le verre feuilleté, auquel il donne le nom de Triplex. Le Triplex a sauvé la vie de Georges Clemenceau lors de l'attentat manqué de 1919, en démontrant l'utilité de ce verre qui n'éclatait pas en morceaux dangereux, mais s'étoilait sous l'impact sans chuter ou projeter d'éclats vulnérants. Cet attentat fit la publicité et la popularité de ce produit alors révolutionnaire. L'utilisation du verre feuilleté dans le bâtiment fut plus tardive. La première grande réalisation en verre feuilleté en France est la Pyramide du Louvre à Paris.

Ce procédé, industrialisé à la fin des années 1930, qui consiste à lier deux feuilles de verre par un film intercalaire polymère transparent fait du verre un produit de sécurité.

1.2- Définition

Le verre feuilleté est un assemblage de feuilles de verres et d'intercalaires de nature plastique. Les intercalaires peuvent se présenter sous forme de film, généralement (Poly-VinyleButyral) ou EVA (Ethyle-Vinyle-Acétate), ou bien sous forme liquide, coulée entre deux verres (résine). Le verre feuilleté pour bâtiment fait l'objet de la norme EN ISO 12543.

Figure 63. Composition d'un verre feuilleté
ordinaire

Le verre feuilleté résiste à 1'impact (propriété très importante). Lors d'un choc avec un corps étranger, le verre se fendille, la fracture est

localisée au point d'impact sans altérer la visibilité. L'intercalaire PVB, maintient les morceaux de verre en place, ce qui diminue le risque de coupure par 1'éclat de verre. II garde 1'étanchéité de la paroi.

De plus, 1'énergie résiduelle du corps est absorbée par cet intercalaire ; le vitrage empêche donc le passage du corps si 1'impact n'est pas disproportionne.

2- Principe de fabrication du verre feuilleté

Le verre de sécurité (feuilleté) est un assemblage de deux ou plusieurs feuilles de verre (recuit ou trempe) liée entre elles par un ou plusieurs films de polyvinyle butyral (PVB) ou d'autres matériaux synthétiques, résines ou gels peuvent être utilises.

Lors du processus de laminage, les verres sont places a 1'intérieur d'un autoclave puis soumise a une pression de 180 a 200 pascal combinée a une température oscillant entre 275 a 300C°. Ce précède assure aussi une parfaite adhérence des différents éléments entre eux, ainsi le produit rend transparent en éliminant 1'air emprisonne entre 1'intercalaire synthétique et le verre.

Alors le verre feuilleté est un matériau composite combinant les propriétés du verre aux propriétés de 1'intercalaire utilise (adhésion au verre, élasticité, résistance a 1'impact).

Figure 64.Chaine de fabrication du verre feuilleté

2.1- Films intercalaires

L'intercalaire, de par ses propriétés mécaniques et adhésives, joue deux rôles. Il permet d'une part de dégrader une partie de l'énergie d'impact par déformation viscoplastique et d'éviter la projection de fragments. D'autre part, après impact, il permet de conserver une tenue résiduelle assurant le maintien du vitrage.

Les films intercalaires permettent d'améliorer les performances du verre d'un point de vue mécanique mais aussi acoustique (atténuation de certaines fréquences) tout en conservant la propriété de transparence.

Son processus de fabrication lui permet aussi par adjonction de colorant d'être utilisé comme élément de décoration. Le type d'intercalaire peut varier suivant le niveau de performance recherché (polyuréthane, polycarbonate, résines bi-composants, polyéthylène, ...).

Nous nous intéresserons ici au seul cas du poly ([alcool de vinyle] -co- [butyrate de vinyle]) ou « polyvinyle Butyral » (PVB).

Ce polymère est le plus couramment utilisé pour les applications vitrages feuilletés grâce à son forte compatibilité avec le verre, liée à sa transparence et à ses remarquables propriétés adhésives, ainsi qu'à ses propriétés viscoélastiques garantissant une déformation importante avant rupture et un amortissement maximal des basses fréquences à température ambiante viscoélastiques garantissant une déformation importante avant rupture et un amortissement maximal des basses fréquences à température ambiante [10].

2.1.1- Fabrication de résine de polyvinyle Butyral :

Le film utilise pour la fabrication de verre feuilletés est en polyvinyle Butyral (PVB) obtenu par la réaction du butyraldehyde sur 1'alcool polyvinylique avec 1'addition d'un plastifiant.

Le polyvinyle Butyral s'obtient au cours d'un processus en trois étapes :

Première étapes : consiste à obtenir le poly acétate de vinyle a partir de la réaction d'acétylène avec 1'acide acétique comme suite :

Deuxième étape : Etant que 1'alcool vinylique monomère n'offre pas de résistance entant que compose libre et qu'il n'est pas disponible pour la polymérisation, une conversion du poly acétate de vinyle en alcool polyvinylique se fait par saponification en présence [11].

La troisième étape : le polyvinyle est obtenu par acétylisations de l'alcool polyvinylique avec du butyraldéhyde.

La résine de PVB est une poudre blanche crème qui se présente sous la forme d'un film et possède une élasticité suffisante pour son utilisation comme film de verre feuilleté de sécurité, la compatibilité avec les plastifiants est déterminée par la part de groupes hydroxyle libres et 1'humidité. Parmi les plastifiants appropries, alors par exemple Tester du polyéthylène glycol et de 1'acide adipique.

La nature et la quantité déterminent les propriétés du film (propriétés mécaniques, 1'adhérence sur le verre) [11].

Les produits obtenus à la fine preuve d'une élasticité très élevée. Deux exemples de plastifiants plus courants :

2.1.2- Caractéristiques physico-chimiques

· Transparence entre les feuilles de verre.

· Indice optique 1.47 proche de celui de verre (1.56).

· Resistance a la traction 200 à 250 Kg/Cm2.

· Allongement a la rupture 300%.

· Dilatation 7.7 X 10 beaucoup plus grandes que celle de verre
(9X 10'6).

· Densité : 1.07.

· Aptitude au collage avec le verre en fonction de 1'état de surface du verre, de la teneur en eau du PVB.

· L'épaisseur existant des feuilles de PVB de 0.38, 0.76, 1.14 ou 1.54.

2.1.3- Trempe thermique

Le renforcement du verre par refroidissement rapide était connu depuis le XVII^e siècle au moins. On savait qu'une goutte de verre fondu tombant dans de l'eau peut former une larme solide de très grande résistance mécanique. La surface en se figeant forme une coque solide remplie de matière visqueuse, car encore chaude, qui va se contracter en se refroidissant. Cette contraction produit une forte compression permanente dans les couches superficielles de la goutte à froid de sorte qu'il faut une force très grande pour produire la contrainte d'extension nécessaire au départ d'une fracture. Notons que la coque en se formant doit s'étirer pour envelopper son contenu qui est plus chaud.

C'est à cause de cet étirage, qui n'est que partiellement élastique, que la coque se trouve en compression lorsqu'elle et son contenu, après refroidissement, sont de nouveau à la même température. Le même principe s'applique aux feuilles de verre, industriellement, le refroidissement s'effectue maintenant par jets d'air (fig. 65).

Tous les autres moyens, tels que l'immersion dans de l'eau ou dans de l'huile, les pulvérisations ou le contact avec plaques métalliques, produisaient des casses intempestives ou, au mieux, des états de surface nécessitant un polissage [6].

Notons enfin qu'à cause du refroidissement rapide la température fictive du verre près de la surface est plus élevée que celle de l'intérieur et cette différence augmente les contraintes produites par la trempe thermique. Cette contribution serait d'environ 24% dans le cas une trempe industrielle d'un verre d'épaisseur 6 mm.La trempe d'une feuille de verre à l'aide de jets d'air est issue du Laboratoire des Glaceries de Saint-Gobain dirigé par Bernard Long, place des Saussaies, Paris. Comme d'autres, avant et après lui, il a cherché une trempe par pulvérisation d'eau. La découverte fut faite lorsque le débit d'air dans les pulvérisateurs était fort et que l'arrivée d'eau était restée fermée [6].

Figure 65. Principes d'installations industrielles de la trempe thermique de verre plat.

2.1.4) Trempe chimique

Lorsqu'une feuille de verre sodocalcique est immergée dans un bain de nitrate de potassium fondu, vers 400°C, des ions de sodium près de la surface sont remplacés par des ions de potassium.

A cause de la plus grande taille de ces derniers, cet «échange d'ions» donne lieu à une forte compression superficielle. Typiquement de 400 MPa, la contrainte est environ quatre fois celle obtenue par trempe thermique.

Il est important de noter que la contrainte diminue par relaxation visqueuse pendant le traitement de sorte qu'à la surface même la contrainte est au maximum dès les premiers instants de l'échange. La durée du traitement sert à obtenir l'épaisseur nécessaire pour la couche en compression.

Le niveau élevé du renforcement obtenu est l'avantage principal du procédé. Il y en a deux autres : la possibilité de renforcer du verre mince (ce qui n'est pas possible par trempe.

L'inconvénient majeur est le temps de traitement qui se chiffre en dizaines d'heures. Pour réduire cette durée (et augmenter les contraintes), on fait appel aux formules particulières.

Le procédé trouve une application dans les vitrages pour la construction aéronautique où une faible cadence de production n'est pas un inconvénient rédhibitoire.

Il permet de fournir l'élément assurant la résistance mécanique d'un pare-brise (résistance normalisée en particulier relativement aux chocs avec des oiseaux) avec une économie appréciable de poids [6].

2.1.5) Régime thermique de la trempe :

Les températures du four approximatives sont consignées par rapport aux épaisseurs du verre, plus l'épaisseur augmente plus la température diminue mais le temps de chauffage augmente de manière 40 sec/mm d'épaisseur.

Exemple : à une épaisseur du verre égale 3,5mrn, la température est de725°C - l'épaisseur égale 12mm la température est de 710 C (voir la courbe de régime thermique).

Figure 66.Schéma du régime thermique de la trempe

3) Applications

Selon la nature des intercalaires, le verre feuilleté peut être :

· Un bon isolant acoustique ;

· Résistant au vandalisme, à l'effraction ou aux tirs d'armes à feu, voire aux ouragans ou aux explosions ;

· Utilisé pour protéger les personnes de risques accidentels (pare-brise automobile, protection contre la chute dans le vide en cas de bris du vitrage, etc.);

· Utilisé dans des parois pare-flammes ou coupe-feu jusqu'à deux heures (verre feuilleté à intercalaire intumescent);

· Décoratif (film intercalaire de couleur, à motif, etc.);

· Opacifiant (film intercalaire à cristaux liquides);

· Photovoltaïque (intégration de cellules photovoltaïques dans le film intercalaire);

4) Types de verre feuilletéLes verres feuilletés se chassent en quatre types différents :

1. Les verres anti-effraction.

2. Les verres de sécurité avec alarme.

3. Les verres pare-balles.

4. Les verres à haute résistance.

4.1) Les verres anti-effraction : > Composition

Le verre de sécurité (anti-effraction) est composé de deux ou plusieurs feuilles de verre reliées entre elle par des feuilles de polyvinyle. Le nombre de feuilles peut atteindre jusqu'a 18 feuilles. Le type le plus mince étant : deux float de 2mm + Feuille de PVB 0.38mm.

> Protection

On parle généralement de sécurité simple lorsqu'on cherche à protéger les personnes centre les blessures graves en cas de heurt accidentel centre un vitrage.

Dans le cas de sécurité simple, le verre feuillète anti-effraction doit résister aux chocs d'un personne tombant centre un vitrage, ou a une effraction simple, sans utilisation d'objet lourd.

Si le verre se fissure, le PVB va maintenir les morceaux de verre ensemble et empêcher leur dangereuse dispersion.

Lorsque les vitrages sont exposes au vide, il doit rester en place et assurer une protection de chute au travers de ceux-ci.

Tableau8 : La résistance à l'impacte des verres feuilletés.

classe	Nombre d'impacte avec marteau et hache	Energie accumulée (joule)	Epaisseur totale (mm)	Poids Kg/m^2
P6A	49	14850	14	30
P7A	64	17400	22	50
P7B	65	20950	23	50
P7B	72	25200	27	60

> Propriétés mécaniques

Le verre Anti-effraction résiste à la destruction d'un vitrage par le moyen d'un marteau et d'une hache réalisant une ouverture de 400X400mm.

> Types d'utilisation :

Le verre feuilleté double ou triple de type anti-effraction s'utilise pour :

· Les verres de fenêtres composés avec un verre isolant.

· Séparation de locaux.

· Cage d'escaliers.

· Verre de balcon.

· Vitrage en toiture.

· Vitrines.

· Protection de locaux contre 1'émeute, 1'effraction ou le vandalisme.

· Protection des biens.

· Protection centre l'explosion.

Tableau 9 : exemple de la composition de quelques verres feuilleté double et triple, anti-effraction.

Nbr de verre	Epaisseur des verres	Nbr de PVB	Epaisseur de PVB	Epaisseur totale	Poids Kg/m^2		Dimension maximum (cm)	2
2-2	1	0.38	4.3	10.4	120*280		2
3-3	1	0.38	6.3	15.5	250*600		2
4-4	1	0.76	9.7	21.0	250*600		2
5-5	1	1.52	11.5	26.7	250*600		2
6-6	1	2.28	14.3	32.5	250*600		2
6-6	1	4.56	16.5	34.7	250*600		3
3-3-3	2	0.76	10.5	24.0	250*600		3
4-4-4	2	0.76	13.5	31.5	250*600		3
5-5-5	2	1.52	18.5	40.7	250*600		3
5-5-5	2	2.28	19.5	42.0	250*600		3
6-6-6	2	3.80	26.0	53.0	250*600		3
6-6-6	2	4.56	28.0	56	250*600

4.2) Les verres de sécurité avec fil d'alarme

Ce type du verre constitue de deux ou plusieurs feuilles de verre généralement trempées, reliées par des feuilles de polyvinyle Butyral avec insertion d'un réseau électrique de fils de cuivre extrêmement minces et a peine visibles, de 0.08mm de diamètre. Ce réseau est constitue d'un trame quadrillée ou de fils longitudinaux distant antre eux de 20 a 60mm. En cas d'effraction le fil conducteur se sectionne et déclenche automatiquement le dispositif d'alarme place a 1'endroit du verre ou relie au poste de police.

Figure 67. réseau electrique intercalé entre les feuille de verre. > Types d'utilisation

· Devantures d'établissement bancaires.

· Bijouteries, horlogeries.

· Salle de musée ; Collection d'objets d'art.

· Salles d'ordinateurs.

Les verres feuilletés avec insertion de fils d'alarme portent une grande résistance et signalisation en cas d'effraction.

Les verres de sécurité avec film d'alarme sont exécutes selon les types de verres feuillètes et triple.

Exemple 1 : de 1'assemblage de deux feuilles du verre et une feuille de PVB avec insertion de réseau électrique

Figure 68. 1'assemblage de deux feuilles du verre et une feuille de PVB avec insertion de réseau électrique

Exemple 2 : L'assemblage de deux feuilles du verre et deux feuilles de PVB avec insertion de réseau électrique.

Figure 69. L'assemblage de deux feuilles du verre et deux feuilles de PVB avec insertion de réseau
électrique.

4.3) Les verres pare-balles (anti-balle) :

Composition :

Les verres feuilleté anti-balle est un produit compose d'au moins trois couches de verre assemblées par plusieurs couches de matière synthétique. Lors de la fabrication, les couches de matière synthétique et les différentes couches de verre sont soumises à des pressions et des températures telles que ces couches adhérent d'une façon définitive.

> Protection

Le vitrage pare balles doivent établir une protection efficace et sécurisante entre un agresseur arme et les personnes qu'il menace. Us doivent résister a un nombre détermine de tirs de balles.

Le verre anti-balle ne devrait pas être utilise comme un verre anti-effraction : il a été con9u pour résister a des d'impacts de projectiles a grande vitesse et non a des impacts prolonges faits a 1'aide d'objets lourde (marteau, pierre, brique,.. .. etc.). Le verre anti-balle est un verre de sécurité multi-feuilleté, fabrique pour résister à la pénétration des projectiles d'arme à feu. Lors de Pimpant, I' onde de choc produit par le projectile fait en sorte que des éclats se détachent du cote protège. La conception du vitrage blinde fait en sorte que 1'énergie du projectile engendre un nombre très minime de particules. Les éléments à prendre en considération pour sélectionner le type de verre sont :

> Le taux de risque propre à 1'établissement ou au local à protéger, lie :

· Au type de bâtiment (établissements financiers... etc.).

· A la nature de 1'activité (ambassade, véhicule blinde).

· A la présence de personnel.

· A la rapidité et aux moyens d'intervention.

· A la puissance des armes a feu centre les quelles ou souhaiterait se prémunir.

> La résistance aux tirs d'armes a feu, liée :

· Au type d'armes.

· A la vitesse initiale du projectile.

· A la distance de tir.

· A la forme et a la composition de la balle et à la température du vitrage.

Les verres pare-balles sont divisés en deux catégories :

1- Les verres résistants aux armes de poing de faible puissance : 2- Tableau 10 : armes de faible puissance [11].

Epaisseurs des verres (mm)	N° de feuille de PVB	Epaisseur de PVB	Epaisseur totale (mm)	Dimension max
6-6-6-6	3	0.76	26	254x449
4-12-4-4	3	0.76	28	254x449
6-6-6-6-6	4	0.76	32	254x449
8-8-6-8	3	1.52	33	254x449

2-Les résistants à toutes armes de poing Tableau 11: toutes armes de poing [11]

Epaisseur de verre (mm)	N° de PVB	Epaisseur e PVB	Epaisseur totale (mm)	Dimension max
6-15-5-4	3	0.76	32	254x449
5-15-5-4-4	4	0.76	36	254x449

> Avantage du produit : Confort acoustique :

Par sa composition, le verre feuilleté anti-balle augmente la valeur acoustique par rapport au verre ordinaire de même épaisseur. Confort thermique.

En simple et évidemment en double vitrage le verre feuilleté anti-balle augmente le confort thermique.

Confort visuel.

En faisant usage d'un film colore au lieu d'un film clair, le confort visuel est augmente.

Protection contre les rayons ultraviolets :

Le film de matière synthétique empêche pratiquement la pénétration des rayons ultraviolets et protège les objets exposes de la décoloration.

-Dimensions maximum de fabrication.

2500X3500mm avec un poids de 205Kg maximum par verre.

4.4) Les verres à haute résistance :

Les verres feuillètes a haute résistance sont un assemblage de deux verres trempes chimiquement et trois feuilles (deux feuilles de polyvinyle butyrate et. D'une feuille de polycarbonate). Le verre a trempe chimiquement offre une résistance mécanique d'environ cinq fois supérieure a celle du flot et résiste bien aux chocs mous, a 1'abrasion, au transpercement et a la coupe au moyen de dament [11].

Ce type du verre résiste milieu a 1'abrasion et produit chimique ainsi que Ce type du verre est considère comme un verre anti-feu, qui résiste généralement environ de 700c° pendant 4 heures. Ces avantages sont donnes par le film de polycarbonate qui possède des propriétés remarquables.

-Dimensions maximales : 300X195Cm.

> L'utilisation :

v' Les ateliers de fondre.

v' Les pistes d'aéroport et tout Les endroit ou il ya le risque de sante.

Figure 70.verre feuilleté à haute résistance [11].

1- Le double vitrage

1-1 Définition :

Un double vitrage est une paroi vitrée constituée de deux vitres séparées par une épaisseur d'air immobile, dite « lame d'air ». L'intérêt du double vitrage est de permettre une amélioration thermique et phonique, la lame d'air constituant un bon isolant, bien meilleur que le verre luimême. Le double vitrage permet ainsi de réduire l'« effet de paroi froide » d'où une diminution de la condensation en hiver et une diminution des pertes de chaleur soit un gain de 10 % de la consommation en chauffage.

En pratique la lame d'air est parfois constituée de gaz inertes (argon, krypton) afin d'améliorer l'isolation. Il existe aussi des triples vitrages, conçus pour apporter une isolation encore meilleure. Le triple vitrage, pour être intéressant, nécessite une attention particulière sur l'isolation au niveau des joints de menuiserie, car c'est en général par eux qu'a lieu le gros des déperditions de chaleur. Le triple vitrage est par exemple utilisé sur les trains à grande vitesse.

Un double vitrage standard a un indice uw d'environ 2,9 W/m²K, un double vitrage haute performance peut descendre jusqu'à 1,1 W/m²K.

Les épaisseurs sont souvent désignées de la façon suivante : A/B/C. Avec A, B, et C, les épaisseurs en millimètres des éléments (vitre extérieure, lame d'air, vitre intérieure). Des doubles vitrages courants sont en 4/16/4. Les deux vitres ont souvent la même épaisseur. Sinon, on parle de double vitrage asymétrique. Le double vitrage asymétrique permet une meilleure isolation phonique car les fréquences de résonnance des deux vitres sont différentes. En général, la vitre extérieure est souvent la plus épaisse : 10/10/4. Cependant, le sens n'a pas d'effet sur les performances d'affaiblissement acoustique. Seul lors de l'utilisation d'un vitrage feuilleté, le sens de mise en place sera conditionné par les contraintes de protection des personnes en fonction de leur situation vis-à-vis le vitrage.

Figure 71 .Composition d'un double vitrage isolant

Le dessicatif introduit dans l'espaceurs est destiné à assécher le gaz emprisonné à la fermeture du vitrage et à absorber la vapeur d'eau éventuelle. Le bon fonctionnement des barrières d'étanchéité et du dessicatif conditionne la durée de vie du vitrage.

1-2 Les modes de transmission de chaleur

L'intérêt du dispositif est de bénéficier du pouvoir isolant apporté par la lame d'air ou de gaz, et de faire baisser de la sorte le coefficient de transmission thermique U de l'ensemble du vitrage. Elle se fait par conduction et rayonnement dans le verre. La présence de la lame d'air permet de limiter les pertes de chaleur par conduction, la conductivité thermique de l'air (0.025 W/mK (à 10°C)) étant nettement inférieure à celle du verre (1 W/mK).

Figure72 .mode de transfert de chaleur à travers un
double vitrage.

1-3 Caractéristiques énergétiques

Lorsque l'énergie solaire est interceptée par une paroi, une partie est réfléchie vers l'extérieur, une partie est absorbée par le matériau, une partie est transmise à l'intérieur. La transmission solaire du double vitrage est légèrement plus faible que celle du vitrage simple car la chaleur qui traverse le vitrage est absorbée et réfléchie par deux couches et non une seule.

Les schémas suivants donnent les coefficients de transmission thermique U et le facteur solaire FS d'un double vitrage et d'un simple vitrage :

Figure73 .les coefficients de transmission thermique U et le facteur solaire FS d'un double vitrage et
d'un simple vitrage

1-4 Caractéristique lumineuse

Le double vitrage assure un aspect neutre en réflexion et une grande transparence. Il est caractérisé par un coefficient de transmission lumineuse élevé mais néanmoins inférieur à celui d'un simple vitrage.

Figure74. Coefficient de transmission lumineuse d'un simple et double vitrage.

1-5 Caractéristique acoustique

Curieusement, l'isolation acoustique que procure le double vitrage dans les basses (bruit de trafic lent) et moyennes fréquences est légèrement inférieure à celle d'un simple vitrage de la même épaisseur.

Il est caractérisé par un indice pondéré d'affaiblissement acoustique :

Tableau 12 : indice pondéré d'affaiblissement acoustique d'un double vitrage.

Rw	Rw + C	Rw + Ctr
30	29	26

Certaines dispositions peuvent être prises de façon à assurer des performances acoustiques suffisantes. On se référera aux vitrages acoustiques. A partir du double vitrage des améliorations sont possibles afin d'augmenter encore les performances énergétiques et solaires du vitrage : le vitrage basse émissivité, absorbant, réfléchissant...

2- Le double vitrage "à basse émissivité"

2-1 Principe

Ce vitrage est aussi appelé "vitrage à haut rendement" ou "vitrage super isolant". En anglais, il se nomme vitrage "low-E" et en France, on l'appelle "Vitrage à Isolation Renforcée" (VIR). L'objectif est d'augmenter le pouvoir isolant du double vitrage, c.à.d. de diminuer son coefficient de transmission thermique U (anciennement "k"). Vous avez dit : "émissivité" ?

Quand de la chaleur ou de l'énergie solaire est absorbée par un vitrage, elle est réémise par le vitrage, soit par convection d'air le long de sa surface, soit par radiation de la surface du vitrage vers les autres surfaces plus froides. Par conséquent, la réduction de la chaleur émise par les fenêtres sous forme de radiation peut améliorer fortement ses propriétés isolantes.

La capacité d'un matériau à émettre de la chaleur de manière radiative est appelée son émissivité. Ce coefficient d'émissivité varie en fonction de la longueur d'onde du signal émis. Les fenêtres, ainsi que les matériaux que l'on trouve à l'intérieur d'un bâtiment, émettent typiquement des radiations sous forme d'infrarouges de très grande longueur d'onde. A savoir enfin que pour une longueur d'onde donnée, le coefficient d'absorption d'un matériau est égal au coefficient d'émissivité. Les vitrages standards ont une émissivité de 0.84 sur l'entièreté du spectre. Cela signifie qu'ils émettent 84 % de l'énergie possible pour un objet à cette température.

Cela signifie également qu'en ce qui concerne les rayonnements à grande longueur d'onde qui frappent la surface du verre, 84 % est absorbé et seulement 16 % est réfléchi.

Par comparaison, les couches basse-émissivité ont un coefficient d'émissivité de 0.04. Les vitrages sur lesquels on a déposé de telles couches émettront seulement 4 % de l'énergie possible à cette température, donc absorberont seulement 4 % du rayonnement de grande longueur d'onde qui les atteint. Autrement dit, ils réfléchiront 96 % du rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde. Application

Le rayonnement calorifique des objets terrestres est émis à une longueur d'onde plus élevée que ceux qui composent le spectre solaire. D'où l'astuce : il est tout à fait possible de laisser pénétrer l'énergie solaire (à courte longueur d'onde) à travers un vitrage tout en empêchant la chaleur (à grande longueur d'onde) de quitter ce local !

Figure75. Ondes électromagnétiques correspondant au rayonnement solaire et au rayonnement
des corps terrestres.

Figure76 .Principe de fonctionnement d'un double vitrage à basse émissivité.

La couche "basse émissivité" est, en général, une couche métallique, en argent par exemple, déposée sous vide et qui doit être placée à l'intérieur du double vitrage vu sa fragilité. Elle bloquera une partie du transfert de chaleur par rayonnement, diminuant ainsi le flux total de chaleur au travers de la fenêtre.

2-2 Importance de la position de la couche basse émissivitéLa position de la couche basse émissivité dans un double vitrage n'affecte en rien le facteur

U (ou k) de celui-ci. Donc, en ce qui concerne les pertes de chaleur par transmission, il n'y a absolument aucune différence que la couche basse émissivité soit placée en position 2 ou en position

Figure77. Numérotation des faces d'un double vitrage.

La surface d'un vitrage, dans un double ou un triple vitrage, est référencée par un nombre, commençant par le numéro 1 pour la surface extérieure du vitrage extérieur vers la surface intérieure du vitrage intérieur. La surface intérieure d'un double vitrage porte donc le numéro 4.

Par contre, le facteur solaire FS du vitrage est influencé par la position de la couche. En effet, en plus de sa capacité à inhiber les transferts d'infrarouges à grande longueur d'onde, une couche basse émissivité absorbe aussi une certaine quantité de l'énergie solaire incidente. Cette énergie absorbée est transformée en chaleur, provoquant ainsi un échauffement du vitrage. Si l'on cherche à laisser passer la chaleur solaire (FS élevé), la couche basse émissivité sera placée sur le verre intérieur du double vitrage (en face 3). La chaleur absorbée par la vitre sera réémise vers l'intérieur.

Figure78. Double vitrage avec une couche basse émissivité déposée sur la vitre interne

Si l'on cherche au contraire à diminuer la chaleur solaire entrante (FS faible), la couche basse émissivité sera placée en face 2, la chaleur absorbée par le vitrage étant alors essentiellement réémise vers l'extérieur. Dans ce cas, on peut adjoindre une couche réfléchissante à la couche basse émissivité pour diminuer encore FS.

Figure79 .Double vitrage avec couche bas emissivité deposée sur la vitre extene Et si on pose le châssis à l'envers ?

Lorsque les châssis et les vitrages arrivent séparément sur un chantier, on veillera à ce que la couche basse émissivité se retrouve bien à la position souhaitée pour tous les châssis du bâtiment (généralement en face 3 dans le domestique et en face 2 dans le tertiaire avec apports internes).

Si l'autocollant est absent, il est possible de repérer la position de la couche au moyen de la flamme d'un briquet. En effet, 4 images de la flamme seront réfléchies par les 4 faces. La couche basse émissivité génèrera un reflet bleuté, les autres étant plus orangées

2-3 Caractéristiques énergétiques et lumineuses

Le double vitrage basse émissivité est caractérisé par un faible coefficient de transmission thermique U, variant de 1,1 à 1,9 W/m².K selon le mode d'application de la couche métallique ainsi que la nature du gaz présent entre les feuilles de verres. Il existe une multitude de vitrages sur le marché. Des combinaisons multiples sont proposées entre le facteur solaire FS et le facteur de transmission lumineuse FL. Il est possible de trouver un vitrage pour lequel la présence de la couche métallique ne provoque qu'une très légère baisse des gains solaires et de la transmission lumineuse par rapport à un double vitrage classique. Autrement dit, la couche basse émissivité "ne se voit pas".

Tableau 13 : caractéristique énergétiques et lumineuse des doubles vitrages.

Type de vitrage	Facteurs énergétiques		Facteur lumineux
	U(K) W/m^2K	FS %	TL %
Double vitrage ordinaire	2.8	76	81
Double vitrage à basse émissivité	1.3	60...75	74...80

2-4 Combinaison des couches basse émissivité et de couches permettant le contrôle solaire

La couche à basse émissivité peut être manipulée de manière à transmettre le rayonnement ayant certaines longueurs d'onde et à réfléchir le rayonnement ayant d'autres longueurs d'ondes.

On peut ainsi combiner les couches à basse émissivité et les couches de contrôle solaire. Il s'agit alors de couches déposées sous vide, combinant ces deux effets et placées en position 2.

Les premiers vitrages à basse émissivité ont été conçus de manière à maximiser les gains solaires en hiver. Ils devraient donc avoir un grand facteur solaire, un coefficient de transmission lumineuse important ainsi qu'un faible coefficient de transmission thermique U (anciennement "k"). Ils devaient donc transmettre les longueurs d'ondes du rayonnement solaire (rayonnements visibles et infrarouges proches) mais arrêter les infrarouges lointains (correspondant au rayonnement des corps terrestres). On appelle ces vitrages "vitrages à basse émissivité et haute transmission".

Actuellement dans les bâtiments du secteur tertiaire, on demande de plus en plus de minimiser les gains solaires tout en conservant une bonne transmission lumineuse et une bonne isolation.

Ces vitrages doivent donc transmettre le rayonnement visible tout en arrêtant le rayonnement solaire correspondant aux infrarouges proches et le rayonnement des corps terrestres (les infrarouges lointains). Ces vitrages sont appelés "vitrages à basse émissivité sélectifs".

Exemple. On trouve actuellement des vitrages "haut rendement" avec un facteur solaire limité à 40 % tout en atteignant une transmission lumineuse de 70 %. Pour diminuer encore le facteur solaire, on peut enfin placer une couche basse émissivité sur un vitrage teinté foncé ou augmenter le coefficient de réflexion des rayons lumineux de la couche elle-même, créant ainsi un produit ayant les propriétés isolantes d'un vitrage "basse émissivité", conjugué un rejet des gains solaires, perdant de facto une certaine qualité de transmission lumineuse. Ces vitrages sont appelés "vitrages à basse émissivité sélectifs et à basse transmission".

Figure80 .Coefficient de transmission lumineuse de quelques verres 1. Vitrage clair 2. Vitrage basse émissivité et haute transmission 3. Vitrage basse émissivité spectralement sélectif 4. Vitrage basse émissivité spectralement sélectif et à basse transmission.

3-Le triple vitrage

Le vitrage est formé par trois feuilles de verre séparant deux espaces d'air.

3-1 Caractéristiques énergétiques et lumineuses

L'isolation thermique que procure un triple vitrage est meilleure que celle d'un double vitrage. Le coefficient de transmission thermique U d'un tel vitrage est de 1,9 W/m²K pour un triple vitrage ordinaire. Par contre, les gains solaires et la transmission lumineuse sont diminués par la présence du troisième verre. Le facteur solaire (FS) est généralement de 68 % et le facteur de transmission lumineuse (TL) sera de 74 %. Une variante Le triple vitrage est rarement appliquée, car sa forte épaisseur et son poids élevé ne s'adaptent pas aux menuiseries classiques.

Une variante consiste en un double vitrage avec un ou plusieurs films plastiques tendus dans l'espace d'air, de façon à avoir plusieurs lames d'air en série sans augmenter le poids du vitrage.

Figure81. Assemblage d'un triple vitrage.

4-Le vitrage isolant acoustique

Si l'on observe le spectre d'isolation acoustique d'un double vitrage, on remarque que l'isolation acoustique que procure un double vitrage est relativement mauvaise à la fréquence critique des feuilles de verres (3 200 Hertz) et dans les basses et moyennes fréquences (bruit de trafic lent).

Figure82. Isolation acoustique d'un verre ordinaire et d'un double vitrage

Ce deuxième puits de résonance s'explique par le fait que le double vitrage se comporte comme un système acoustique du type MASSE/RESSORT/MASSE. La lame d'air jouant le rôle de ressort, son épaisseur est généralement trop faible pour créer un ressort suffisamment souple et le système fait entrer le verre en résonance. Pourtant l'acoustique s'améliore lors d'un remplacement d'un châssis !

Des propos ci-dessus, on pourrait déduire que le remplacement, en rénovation, du simple vitrage par du double vitrage n'est pas intéressant du point de vue acoustique... Cette supposition est cependant erronée car le remplacement du vitrage s'accompagne, en général, du remplacement du châssis qui offre une meilleure étanchéité à l'air et donc à une meilleure isolation acoustique que l'ancien châssis; ce qui mène à une amélioration de l'isolation acoustique de l'ensemble vitrage + châssis. Certaines dispositions permettent aussi d'améliorer l'isolation acoustique d'un double vitrage :

1' Les doubles vitrages dissymétriques

Chaque plaque d'un matériau d'une épaisseur donnée a une fréquence critique pour laquelle elle se met à vibrer plus facilement. A cette fréquence, le bruit se transmet beaucoup mieux.

Le principe des vitrages dissymétriques est le suivant :

On utilise au sein d'un même vitrage des verres d'épaisseur suffisamment différente de sorte que chacun d'eux puisse masquer les faiblesses de l'autre lorsqu'il atteint sa fréquence critique.

La figure suivante compare les spectres d'isolation acoustique d'un double vitrage classique et d'un double vitrage dissymétrique.

Figure83 .Isolation acoustique des doubles vitrages 4/12/4 et 8/12/4.

Tableau14 : performances acoustiques des doubles vitrages pour différents types d'assemblages.

Composition (mm)	Rw + C (db)	Rw + Ctr (db)
6-15-4	33	31
8-12-5	35	32
8-20-5	35	32
10-12-6	36	34
10-15-6	37	34
10-12-8	36	34

1' Les vitrages avec gaz isolant

On remplace l'air d'un double vitrage par un gaz isolant adapté (l'hexafluorure de carbone : SF6). Cela permet de réaliser des gains appréciables dans les hautes et moyennes fréquences (bruits de trafic rapide), mais les performances s'avèrent défavorables dans les basses fréquences (bruit de trafic urbain (315 Hertz)). La figure suivante comparant les spectres d'isolation acoustique d'un double vitrage classique et d'un double vitrage avec gaz isolant.

Figure84. Isolation acoustique d'un double vitrage classique et d'un double vitrage avec gaz isolant.

Ce gaz présente le désavantage de diminuer l'isolation thermique des doubles vitrages et cause des problèmes à l'environnement. Les doubles vitrages avec SF6 sont donc à déconseiller et sont, de toute façon, appelés à disparaître.

v' Les verres feuilletés acoustiques

.

Figure 85. Association d'un verre feuilleté dans un double vitrage.

L'utilisation d'un vitrage feuilleté dans le double vitrage améliore d'avantages les performances de ce dernier, non seulement au niveau de pouvoir acoustique mais également il assure une bonne protection anti-vandalisme

Tableau 15: isolation acoustique de quelques vitrages spéciaux comparée à celle d'un vitrage ordinaire.

Type de vitrage	Rw	Rw + C	Rw +Ctr
Vitrage double ordinaire (4/15 air/4)	30	29	26
Vitrage thermique dissymétrique (8/12 argon/5)	38	36	32
Vitrage thermique feuilleté (6/15air/55.2pvb)	38	37	35
Vitrage feuilleté (8/12air/44.2 pvb)	41	40	37
Vitrage avec pbv amélioré(12/20air/44.2 pvb)	44	43	40
Vitrage avec résine coulée	49	47	42

Conclusion

Le verre n'est plus le matériau fragile posé dans de petites ouvertures aménagées dans une paroi afin de laisser pénétrer un peu de lumière naturelle dans les intérieurs.

Dans l'architecture actuelle, le verre est devenu lui-même paroi, voire façade. Il doit donc en assumer toutes les fonctions telles que la protection contre le froid, la chaleur, l'eau, le vent, l'excès de lumière, parfois la transparence, le bruit, le feu, les rayonnements nocifs, le vandalisme, l'effraction, etc. .... et ce de manière économique, durable et esthétique.

Le verre est devenu un matériau d'architecture complet aux fonctions sans cesse plus nombreuses, plus attractives et plus performantes autorisant les réalisations les plus audacieuses.

Le développement de ce travail sera le fruit d'une collaboration entre universitaires et industriels pour asseoir une politique de recherche à l'échelle industrielle et universitaire, de cette façon nous pourrions contribuer à l'extension de notre industrie verrière qui recense un manque flagrant pour ce type de matériau de construction, et acquérir une performance de développement industriel.

L'ampleur de ce travail nous pouvons approfondir et mettre en application nos connaissances scientifiques et technologiques pour développer plus spécialement certains aspects des verres spéciaux tels que :

1' Relations structure- composition- propriétés des matériaux.

v' Mise en ouvre des matériaux, formulation, élaboration. 1' Comportement en service.

1' Stratégie de choix d'un matériau pour une application donnée. 1' Acquérir une performance de développement industriel.

v' Développement d'une politique de recyclage du verre (gain d'énergie, matières premières et écologie).

Notre objectif aussi est de sensibiliser les industriels ayant choisi l'option des matériaux pour l'importance de développement de l'industrie verrière et de satisfaire le marché national vis à vis des exigences auxquelles les produits obtenus de devraient se soumettre.

Aujourd'hui, dans un monde de compétition industrielle, où tout est plus difficile, le succès et la rentabilité d'un produit passent par l'amélioration constante des techniques de fabrication en termes de productivité, de qualité, de consommation d'énergie, et de réduction de la pollution.

Sommaire

Chapitre I
Généralités sur le verre

1Introduction ... ... ...... ... ...... ... ...............1

2- Généralités sur le verre 2

2.1- définition du verre : 2

2.2- Structure et vitrification : 2

2.2.1- Critère de GOLDSCHMIDT : 2

2.2.2- Règles de ZACHARIASEN : 3

2.2.3- La transition vitreuse 4

2.3- Les propriétés du verre : 5

2.3.1- Propriétés rhéologiques 5

2.3.2- Propriétés électriques 7

2.3.3- Propriétés mécaniques 7

Chapitre II
Description de l'unité MFG

Description de l'unité MFG : 23

2-Les différents ateliers de la ligne : 23

2-1- Atelier de composition : 23

2-2- Atelier de fusion : 25

2-3- Bain d'étain : 27

2-4- Etenderie : 28

2-5- La découpe : 29

2-6- Atelier de contrôle de qualité : 30

2-7- Installations annexes : 30

Chapitre III
Les verres à couches

1. Les verres à couches 31

1.1 - Introduction 31

1.2 - Les fonctions d'un verre à couches 31

1.2.1-Les fonctions optiques 31

1.4.3.2- Principe de canon a électron 37

.4.4- Le dépôt de couche pyrolytique 38

1.4.4.1-Sur substrat chaud : 38

1.4.4.1.1) la pyrolyse en phase liquide : 38

1.4.4.1.2) la pyrolyse en phase solide : 38

1.4.4.1.3) la pyrolyse en phase gazeuse : 38

1.4.4.2) Sur substrat froid. 39

1.4.5) Procédé `sol-gel' : 39

1.5- Tests, normalisation des verres à couches pour l'architecture 39

2 - Classification des vitrages pour le bâtiment 39

2.1 - Le rôle des couches 39

2.2 - La classification des verres à couches dans le bâtiment 41

2.3 - La numérotation des faces d'un vitrage simple ou multiple 41

3 - Traitement de surface hydrophobe 42

3.1 - Surface hydrophobe : 42

3.2 - Réalisation de surfaces de verre hydrophobes 43

3.3 - Aspects théoriques 44

4 - Dépôt transparent conducteur de l'électricité 45

4.1 - Nature du dépôt : ITO (oxyde d'étain et d'indium) 45

4.2 - Elaboration du dépôt ITO 45

4.3 - Utilisations 46

5 - Verres à couches pour protection contre les incendies 46

5.1 - Définition 46

5.2 - Structure et fonctionnement d'un verre à couches intumescentes 46

5.3 - Les verres à couches réfléchissantes 47

5.4 - Les classes et normes pour vitrages de protection anti-incendie 47

5.3 - Les verres à couches pour l'isolation thermique renforcée et le contrôle solaire 48

5.3.1-Le verre et le rayonnement solaire 48

5.3.1.1- Introduction et définitions 48

1.1.2 - Les vitrages à faible émissivité (appelés aussi peu émissifs) 49

1.1.3 - Mode de dépôt et performance 50

1.1.4 - Les produits industriels 50

1.1.5 - Les économies d'énergie 51

1.1.6 - La transmission spectrale 52

- Aspects théoriques 53

- Notions sur les transferts thermiques 53

1.2.2 - Le problème du transfert de chaleur à travers un vitrage 53

2 - Les vitrages électrochromes 54

2.1 - Introduction 54

2.2 - Les vitrages `obturateurs' à cristaux liquides 54

2.3 - Le vitrage électrochrome `assombrissant' 56

2.3.1- Description du fonctionnement 56

2.3.2- Applications 57

2.3.3- Réalisation et structure du vitrage assombrissant 57

3- Les vitrages thermochromes : vers un contrôle solaire `intelligent' 58

3.1 - Introduction : la thermochromie 58

3.2 - Les dépôts et couches thermochromes pour vitrages 58

3.3 - Autres variétés de vitrages thermochromes 60

4 - Modification des propriétés optiques du verre par dépôts multicouches diélectriques (transparents) 61

4.1 - Introduction 61

4.2 - Applications pratiques des traitements `anti-reflets' 61

4.2.1 - Dans le domaine du bâtiment et de l'architecture 61

4.2.2 - Dans le domaine de l'optique 62

4.2.3 - Dans le domaine des énergies renouvelables 62

4.3 - Applications pratiques des traitements `semi-réfléchissants' et `réfléchissants' 62

4.4 - Applications pratiques des traitements réfléchissants sélectifs 62

4.5 - Aspects théoriques : le coefficient de réflexion d'une surface de verre 63

4.6 - Aspects théoriques : les dépôts simples `monocouches' 64

4.6.1 - Traitement antireflet 65

4.6.2 - Traitement réfléchissant 66

4.7 - Les dépôts `multicouches' 67

4.7.1 - Traitement anti-reflets 67

4.7.2 - Couches à fort coefficient de réflexion : 67

4.7.3 - Traitement pour réflexion sélective 68

5 - Le vitrage autonettoyant 70

5.1 - Introduction 70

5.2 - Principe d'un vitrage autonettoyant 70

5.3 - Caractéristiques et techniques de dépôt du film autonettoyant TiO2 70

6-Le verre émaillé et le verre sérigraphié 73

6.1-Définition 73

6.2-L'émaillage : 73

6.2.1-Définition d'un émail : 73

6.2.2-Techniques d'émaillage : 73

7-la sérigraphie : 74

8-Caractérisation des couches minces 75

8.1-Mesure de I' épaisseur : 75

8.3-Morphologie d'une couche mince 76

8.4-Analyses des contraintes 76

8.5-Adhérences 76

8.6- compositions 76

Chapitre IV
Le verre feuilleté

1- Généralités sur Le verre feuilleté 77

1-1 Historique : 77

1.2- Définition 77

Figure 63. Composition d'un verre feuilleté ordinaire 77

2- Principe de fabrication du verre feuilleté 78

2.1- Films intercalaires 78

2.1.1- Fabrication de résine de polyvinyle Butyral : 79

2.1.3- Trempe thermique 81

2.1.4) Trempe chimique 82

2.1.5) Régime thermique de la trempe : 82

3) Applications 83

4) Types de verre feuilleté 83

4.1) Les verres anti-effraction : 84

4.2) Les verres de sécurité avec fil d'alarme 85

4.3) Les verres pare-balles (anti-balle) : 87

4.4) Les verres à haute résistance : 89

Chapitre V
Le double vitrage

1- Le double vitrage 90

1-1 Définition : 90

1-2 Les modes de transmission de chaleur 91

1-3 Caractéristiques énergétiques 91

1-4 Caractéristique lumineuse 92

1-5 Caractéristique acoustique 92

2- Le double vitrage "à basse émissivité" 93

2-1 Principe 93

2-2 Importance de la position de la couche basse émissivité 94

2-3 Caractéristiques énergétiques et lumineuses 96

2-4 Combinaison des couches basse émissivité et de couches permettant le contrôle solaire 97

3-Le triple vitrage 98

3-1 Caractéristiques énergétiques et lumineuses 98

4-Le vitrage isolant acoustique 98

1 Les doubles vitrages dissymétriques 99

Conclusion 102