Synthesis, structure, and mechanical properties of lead- and zinc-copper borate glasses

par Zhao Yue Yao

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Tanguy Rouxel et de Lothar Wondraczek.

Soutenue le 24-02-2016

à Rennes 1 , dans le cadre de Sciences de la matière , en partenariat avec Institut de Physique de Rennes (laboratoire) et de Universite Bretagne Loire (ComUE) .

  • Titre traduit

    Synthèse, structure et propriétés mécaniques des verres borates de cuivre et de plomb, et des verres borates de cuivre et de zinc


  • Résumé

    Le but de ce travail est d'étudier l'effet de la teneur en cuivre et de la valence des atomes de cuivre sur la structure et les propriétés mécanique du verre. Des verres de zinc- et plomb- cuivre borate ont été étudiés. Les changements structurels avec le remplacement de PbO ou ZnO par CuO sont observés par réflectance infrarouge et Raman. L'état d'oxydation, l'environnement du site et la liaison caractéristique d'ions de cuivre ont été étudiés par spectroscopie optique et de résonance de spin électronique. Les propriétés mécaniques ont été déterminées et corrélées à la structure du verre et à sa composition, en mettant l'accent sur les propriétés élastiques, le comportement d'indentation (dureté et micro-fissures), la ténacité et la dépendance à la température de l'élasticité. Le cuivre a une tendance à stabiliser le bore en coordinence trigonale et donne une structure de type métaborate plus homogène. L'ajout d'ions de cuivre au verre métaborate améliore les performances mécaniques (modules d'élasticité et dureté), et diminue la sensibilité à la température ainsi que le taux de ramollissement des verres au plomb. Toutefois, l'ajout d'ions de cuivre dans les verres au zinc a des effets opposés sur ces propriétés. Les changements chimiques à la surface des verres de borates de cuivre et de zinc après traitement thermique sont également étudiés. L'étude par nanoindentation et par rayage montre que la couche cristallisée améliore la résistance mécanique de la surface du verre.


  • Résumé

    The aim of this work is to study the effect of copper content and copper valence on the structural and mechanical properties of glass. Zinc- and lead- copper borate glasses were studied. Their structural changes with the substitution of CuO for ZnO or PbO are followed by Raman and reflectance infrared. The oxidation state, site environment and bonding characteristic of copper ions are studied by optical and electron spin resonance spectroscopy. The mechanical properties were determined and correlated to the glass structure and composition, with a particular emphasis on the elastic properties, sharp indentation behavior (hardness and micro-cracking), toughness and temperature dependence of elasticity. Copper tends to stabilize trigonal boron and gives a more homogeneous metaborate structure. Adding copper ions to the metaborate glass clearly improves the mechanical performance (elastic moduli and hardness), in the meantime decreases the temperature sensitivity and soften rate of lead borate glasses. However, adding copper ions in zinc borate glasses has opposite effects on these properties. The chemistry changes at zinc-copper-borate glass surface after heat-treatment are also studied. Investigation of the nanoindentation and scratch behavior show that the crystallized layer improves the mechanical resistant of glass surface.

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