Caractérisation multi-échelles de vitrocéramiques pour modélisation de leurs propriétés optiques

Multi-scale characterization of glass-ceramics for modeling their optical properties

• Auteur / Autrice : Sandra Rio
• Direction : Philippe Deniard, Rodolphe Delaval, Stéphane Jobic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Florent Boucher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Andraud, Florence Bart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Pradel, Jean-Marc Frigerio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Lumière -- Absorption

Propriétés optiques

Vitrocéramique

Mots clés libres

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Résumé

L’objectif des travaux présentés dans ce mémoire était de mettre en relation la structure et la microstructure d’une vitrocéramique, communément appelée « verre opale » dans l’industrie verrière, avec ses propriétés optiques et colorimétriques. La caractérisation du matériau a été réalisée au moyen de nombreuses techniques d’analyse telles que la diffraction des rayons X, la microscopie électronique, etc. Dans le cadre de cette étude, l’intérêt porté à la vitrocéramique provient de son aspect visuel si particulier : blanc laiteux translucide, voire opaque. Ceci est dû à la cristallisation spontanée, dans le volume, lors du processus de fabrication, de phases binaires fluorées NaF, CaF2 et BaF2. Ce phénomène a lieu en quelques secondes alors que la matrice vitreuse silicate se solidifie emprisonnant ces nanocristaux. La détermination des paramètres propres aux nanocristaux et à la matrice vitreuse a permis la modélisation du rendu visuel via un programme basé sur le modèle des quatre flux, tenant compte du phénomène de diffusion de la lumière. Au vu des résultats concluants, l’étude visant à prédire le rendu visuel issu de la seule diffusion de la lumière a ensuite été étendue au cas d’une vitrocéramique colorée par ajout d’oxydes métalliques dans la composition initiale. Cette modification de la composition entraîne une dispersion des éléments colorants dans la matrice et le phénomène d’absorption généré peut être également modélisé. En parallèle de ces résultats, un autre axe de recherche a pu être développé, à savoir l’étude de l’interaction entre les phases cristallines et la matrice vitreuse qui a notamment permis d’ouvrir des pistes sur la compréhension des propriétés mécaniques de la vitrocéramique.

The aim of this work was to link the structure and the microstructure of a glassceramic, usually called « opal glass » in glass industry, to its optical and colorimetric properties. The characterization of the material has been carried out using numerous analytical techniques such as X-ray diffraction, electron microscopy, etc. In this study, the interest of this glass-ceramic results from its particular visual aspect: milky white translucent, almost opaque. This is due to the spontaneous crystallization of fluorinated binary phases NaF, CaF2 and BaF2, in the volume, during the manufacturing process. This phenomenon takes place in a few seconds while the vitreous silicate matrix solidifies, trapping nanocrystals. The modeling of the visual rendering via a program based on The four-flux method taking into account the intrinsic parameters of both the nanocrystals and the vitreous matrix, was used, based on the light scattering effect. According to conclusive results, the study aimed at predicting the visual rendering only from light scattering has been extended to the coloration of a glass-ceramic by metal oxides addition in the initial composition. This composition modification causes a dispersion of the coloring elements in the matrix implying to also consider the absorption effect. At the same time, another line of research was explored, which is the study of the interaction between the crystalline phases and the mechanical properties of the vitreous matrix.