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