Relations entre structure et propriétés radiatives de verres et de liquides d'oxydes en conditions in-situ

par Florent Michel

Thèse de doctorat en Géosciences et ressources naturelles. Science des matériaux

Sous la direction de Georges Calas et de Laurent Cormier.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .

mots clés

• Verres de fluorures

Résumé

Les propriétés radiatives des liquides utilisés pour produire des vitres et des fibres de verre représentent des intérêts économiques et environnementaux marqués. Nous traitons d'abord des borosilicatés alcalins correspondant à des fibres de verre où nous étudierons le rôle du bore à haute température. Nous étudierons ensuite le rôle du fer dans les matrices sodocalciques et alumino-silicatées correspondant respectivement au verre à vitre et à une composition de fibre de verre. L'objectif étant de relier les propriétés optiques d'absorption à haute température à la structure du verre et du liquide. Pour cela, nous combinons les résultats de méthodes expérimentales. Pour les liquides borosilicatés le taux de bore trigonal augmente de 40 \% lorsque la température augmente de 25°C à 1200°C. Or, le bore trigonal est capable d'absorber les infrarouges vers 10 µm, dans la gamme d'énergie rayonnée par un bâtiment chauffé. S'efforcer à figer cette structure du liquide par une trempe plus rapide maximiserait les propriétés d'isolation de la fibre. La spectroscopie des rayons X indique une coordinence faible du fer dans le verre comme en température. Nous discuterons des données obtenues en termes d’efficacité du transfert radiatif dans le bain, montrant des différences de comportement entre le silicate et l’aluminosilicate. Les changements importants des spectres en température nous permettent de comprendre mieux l’évolution des transferts radiatifs au sein du four lors de la fusion.

Résumé

The radiative properties of the liquids used to produce glass and glass fibers may represent economic and environmental interests. The objective of this thesis is to connect the optical absorption properties at high-temperature to the liquid/glass structure. We are dealing firstly with alkali boro-silicates, corresponding to glass fibers, to understand the role of boron at high temperatures. We then examine the role of iron in soda-lime/alumino-silicate matrices. Those matrices correspond to sheet glass and fiberglass, respectively. For the borosilicate liquid, the three-fold coordinated boron proportion increases by 40 \% when the temperature increases from 25 °C to 1200 °C. As the trigonal boron absorbs infrared at 10 µm, it improves the absorption of radiated energy by a heated building. A rapid quench of the liquid would maximize the insulation properties of the fiber. X-ray absorption spectroscopy shows that iron has low coordination number in the glass but also in the liquid. For UV/VIS/NIR spectroscopic properties with temperature, we see systematic evolution of the spectrum for the both compositions. For the soda-lime glass, strong changes of the UV/Vis/NIR spectrum can be observed with temperature. Up to 1400 °C, the transmittance of the glass batch is improved. The UV-VIS-NIR results obtained in situ at high temperature allow a better understanding of the radiative transfer in the batch within the furnace. We have evidenced a different behavior for the two matrices, which could allow a better control of the radiative transfer efficiency.