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Matériaux utilisés

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  • CAHIERS DOPTIQUE OCULAIRE

    1.Les matriaux

  • INTRODUCTION 2

    CARACTRISATION DES MATRIAUX

    I

    SOMMAIRE

    II

    III

    Proprits optiques 6

    Proprits mcaniques 12

    Proprits thermiques 13

    Proprits lectriques 13

    Proprits chimiques 13

    A

    B

    C

    D

    E

    LE VERRE OPHTALMIQUE DE BASE

    Les matriaux minraux 14

    Les matriaux organiques 18

    A

    B

    LA FABRICATION DES VERRES

    Fabrication des verres minraux 24

    Fabrication des verres organiques 26

    CONCLUSION 28

    A

    B

    1

  • INTRODUCTION

    2

    Ce volume des Cahiers dOptique Oculaireest consacr ltude des Matriauxutiliss dans la fabrication des verresophtalmiques. Par matriaux nous enten-dons toutes les matires servant cons-truire cest--dire lensemble des matiresentrant dans la constitution du verreophtalmique et qui, faonnes selon unegomtrie prcise, lui procurent sa fonc-tion dioptrique de correction (dtailledans les autres volumes de cette srie).

    Le prsent Cahier se compose de trois par-ties : un inventaire des proprits physiqueset chimiques utilises pour caractriserles matriaux, suivi dune analyse struc-turelle et fonctionnelle des matiresemployes et, enfin, dune descriptionsuccincte des techniques mises en uvrepour la fabrication des verres correcteurs.

    LES MATRIAUX

    INTR

    OD

    UCT

    ION

  • LES MATRIAUX

    3

    Le verre ophtalmiqueest un systme complexeAvant daborder la description analytique des matriaux,il est bon de souligner le fait que le verre ophtalmiqueest aujourdhui un produit trs labor et complexepuisquil rsulte de limbrication de Matriaux variset de nombreux Traitements aux fonctions spcifiques(figure 1).

    Le Matriau nest donc quun des lments constitutifsdu verre : son rle est, non seulement de participer crer la fonction correctrice du verre, mais, galementde servir de support lempilement dun ou plusieurstraitements. Ltude des matriaux est donc tout faitindissociable de celle des traitements qui leur serontassocis.

    Figure 1 : Un verre organique trait est un systme complexe.

    LES

    MAT

    RIA

    UX

    Figure 1

    STRUCTURE DU VERRE TRAIT

    REVTEMENTHYDROPHOBE

    COUCHE DURCISSANTE

    REVTEMENTANTI-CHOC

    COLORATION

    SUBSTRAT

    AR

  • 1 H1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    Li

    Na

    K

    Rb

    CsFr

    3

    11

    19

    37

    55

    87

    Be

    MgCaSrBa

    Ra

    4

    12

    20

    38

    56

    88

    ScY

    La

    Ac

    21

    39

    57

    89

    Ti

    Zr

    Hf

    22

    40

    72

    V

    Nb

    Ta

    23

    41

    73

    CrMo

    W

    24

    42

    74

    Mn

    Tc

    Re

    25

    43

    75

    Fe

    Ru

    Os

    26

    44

    76

    CoRh

    Ir

    27

    45

    77

    Ni

    Pd

    Pt

    28

    46

    78

    CuAgAu

    29

    47

    79

    Zn

    CdHg

    30

    48

    80

    B

    Al

    GaIn

    Ti

    5

    13

    31

    49

    81

    CSiGeSnPb

    6

    14

    32

    50

    82

    N

    P

    As

    SbBi

    7

    15

    33

    51

    83

    OSSeTe

    Po

    8

    16

    34

    52

    84

    F

    ClBr

    I

    At

    9

    17

    35

    53

    85

    He2

    Ne

    Ar

    Kr

    Xe

    10

    18

    36

    54

    86

    1

    2

    3

    4

    5

    6Rn

    III b IV b V b VI b VII b VIII i b II b

    I a II a III a IV a V a VI a VII a O

    CeTh

    58

    90Pr

    Pa

    59

    91Nd

    U

    60

    92Pm

    Np

    61

    93SmPu

    62

    94Eu

    Am

    63

    95GdCm

    64

    96Tb

    Bk

    65

    97Dy

    Cf

    66

    98Ho

    Es

    67

    99Er

    Fm

    68

    100Tm

    Md

    69

    101Yb

    No

    70

    102

    Lr

    71

    103

    6

    7

    Lu

    Lanalyse des aspects structurels des matriaux faitappel quelques notions de Physique et de Chimieconcernant la nature de la matire, dont une brvervision est propose ici.

    La Physique moderne est construite sur le fait que,dans lensemble de lUnivers, tout corps matriel estconstitu datomes. Ce sont des corpuscules animsdun mouvement perptuel et eux-mmes constitusde particules lmentaires accoles, les protons et lesneutrons, autour desquelles gravitent, distance,dautres particules plus petites, les lectrons.

    Le rayon des atomes est de 1 2.10-10 m - autrementdit, voisin de 1 (Angstrm). Les atomes sont lesmatriaux de construction de tous les corps matriels;les Physiciens ont trouv quil nen existait pas plusdune centaine dans tout lUnivers. Mendlev en avaitprdit la liste en les classant sous forme dun tableau,avant quils aient t tous dcouverts : cest la clas-sification priodique des lments (figure 2).

    Figure 2 : Classification priodique des lments (tableau de Mendlev).

    4

    CO

    MP

    LM

    ENT

    :R

    AP

    PEL

    S SU

    R L

    A N

    ATU

    RE

    ET L

    A S

    TRU

    CTU

    RE

    DE

    LA M

    ATI

    RE

    Pour constituer les corps matriels, les atomessassemblent en difices plus ou moins complexes, queles chimistes ont dcrits de la faon suivante :

    - Corps Simples, constitus dune seule espce datome :Hydrogne, Oxygne, Carbone, Fer, Silicium, Baryum,Titane...,

    - Corps Composs, constitus dune seule espce demolcule, qui est elle-mme un assemblage rigoureusementquantifi datomes dtermins : eau (H2O), chlorure desodium (NaCl), alcool thylique (C2H6O), silice (SiO2).

    Les Corps Simples et les Corps Composs sont appels

    Corps Purs. Ils sont caractriss en particulier par destempratures de changement dtat - Fusion, Vaporisation -rigoureusement prcises, qui sont, en fait, desconstantes physiques de la matire.

    - Mlanges, constitus de proportions non strictementdfinies de Corps Simples et de Corps Purs, et doncimpossibles reprsenter par une formule chimiqueprcise : air, acier, verre, caoutchouc, miel, sang, ptrole...Leurs tempratures de Fusion et de Vaporisation ne sontpas prcises et varient en fonction de leur composition.

    COMPLMENTRAPPELS SUR LA NATURE

    ET LA STRUCTURE DE LA MATIRE

    Figure 2

  • Dans notre environnement terrestre, il a t dfini uneclassification macroscopique des matriaux en serfrant leurs constituants atomiques essentiels. Nouspouvons ainsi distinguer :

    - les matires minrales, comprenant les Corps Purset Mlanges qui constituent les roches de la croteterrestre - appeles SIAL et constitues essentiellement de SIlicium et dALuminium - ainsi que leurs drivs.Leurs molcules sont des combinaisons varies dunpetit nombre datomes (de un une vingtaine)appartenant lensemble de la classification deslments. Dans le domaine de lOptique Ophtalmique,les lments essentiellement rencontrs sont reprsentspar la zone verte de la figure 2.

    - les matires organiques, comprenant les Corps Purset Mlanges qui constituent essentiellement les rgnesvgtal et animal, ainsi que leurs corps drivs,carburants fossiles et matriaux de synthse de laChimie Organique. Les matires organiques, trsnombreuses et complexes (les organismes vivantssont des matires organiques), ont des molculesconstitues souvent dun nombre important datomes(jusqu plusieurs milliers) mais prlevs sur quelquesespces atomiques trs peu nombreuses : essen-tiellement C, H, O et N (zone rose de la figure 2). LeCarbone C, est en quelque sorte le squelette de lamatire vivante, H, O et N, tant les lments delatmosphre permettant la vie.

    Les trois tats de la Matire.

    Prenons lexemple dune goutte deau constitue demolcules H2O, comprenant 2 atomes dHydrognecombins un atome dOxygne. la tempratureambiante ces molcules sagitent en permanence touten restant agglutines, car elles exercent les unes surles autres une attraction qui maintient la cohsion dela goutte deau - cest ltat LIQUIDE. Lagitation estproportionnelle la temprature : si celle-ci augmente,le mouvement sacclre et les distances entremolcules augmentent. une certaine temprature,les forces dattraction deviennent insuffisantes pourmaintenir les molcules ensemble : celles-ci vont sedisperser en tous sens dans lespace - cest ltat deVAPEUR ou GAZ. nos yeux la goutte disparat envapeur deau invisible, mais est toujours constitue demolcules H2O. linverse si lon refroidit la gouttedeau, le mouvement se ralentit, puis tout coup lesmolcules cessent de glisser les unes par rapport auxautres et lensemble se fige : cest la glace, tatSOLIDE de leau. On observe dans la glace unestructure rgulire priodique, qui constitue le rseaucristallin. Dautres matires, le verre par exemple,prsentent ltat solide une structure non priodique,appele amorphe.

    5

    COMPLMENTRAPPELS SUR LA NATURE

    ET LA STRUCTURE DE LA MATIRE

    Figure 3 Figure 4

    Figure 3 : Changement dtat liquide-gaz : vaporation de leau.Figure 4 : Etat solide : glace.

  • 6Loptique ophtalmique a pour objet de restaurer unevision nette aux personnes amtropes par linterposition,entre lobjet regard et lil, dun verre correcteurdont la fonction dioptrique est rgie par :- des caractristiques gomtriques : rayon de courbure,gomtrie de surface...,- des paramtres physico-chimiques : indice de rfraction,constringence...

    Lobtention et le contrle de ces paramtres physico-chimiques constituent le cur de la recherche menesur les Matriaux. Dautre part, les outils et techniquesutiliss pour la fabrication des verres imposent deconnatre avec prcision les caractristiques des matiresutilises. Aussi est-il ncessaire davoir une connaissancetendue de ces matires dans les domaines suivants