Renforcement à la fracture de métamatériaux d’architecture aléatoire par des hétérogénéités de structure // Toughening random lattice metamaterials with structure heterogeneities

Une méthode privilégiée pour réduire l’impact environnemental des structures ou l’empreinte énergétique des véhicules, est de diminuer la masse de matière nécessaire à leur fabrication, sans nuire à leur performance mécanique. L’avènement des métamatériaux mécaniques a ici amené une révolution majeure. Ces métamatériaux, souvent fabriqués par fabrication additive, prennent la forme de microtreillis. Intrinsèquement poreux, donc légers, l’arrangement géométrique des micropoutres ou microtubes qui les constituent (leur architecture), peut être sélectionné de manière à les rendre rigides, ce qui en font des candidats de choix pour des applications de haute technologie où le ratio rigidité sur densité est important, dans l’aérospatiale par exemple (https://fr.wikipedia.org/wiki/Micro-lattice).
Cependant, la majorité des métamatériaux développés jusqu’à présent reposent sur des architectures périodiques. En conséquence, leur comportement mécanique est intrinsèquement anisotropique, ce qui rend difficile leur modélisation à l’aide des approches conventionnelles développées en mécanique des matériaux, et limite fortement leur utilisation dans de nombreux domaines d’application. Nos récents travaux ont mis au point une nouvelle classe de métamatériaux en microtreillis avec une organisation aléatoire des micropoutres, générés par la combinaison d’algorithmes d’empilements aléatoires compacts et de triangulation de Delaunay puis fabriqués par impression 3D. Ces métamatériaux présentent un comportement mécanique localement isotrope, dont le rapport rigidité/densité atteint la limite théorique. Ils restent néanmoins fragiles, et sont peu résistants à la fracture et au flambage.
L’objectif de cette thèse est de renforcer les performances de ces métamatériaux en s’inspirant de certains mécanismes qui sous-tendent la physique des polymères et de la matière molle. La piste exploitée consiste à introduire de manière statistique mais contrôlée, des hétérogénéités de structure, aussi bien au niveau des nœuds (en modulant leur connectivité) qu’au niveau des micropoutres (en faisant varier leur section ou/et leur forme). Ces hétérogénéités localisées permettent d’introduire, à différentes échelles et de manière contrôlée, des dissipations mécaniques dans le réseau. Il s’agira dans cette thèse de caractériser expérimentalement les propriétés mécaniques de ces métamatériaux afin de les comparer à leurs homologues homogènes, et d’étudier leur résistance à la rupture. Les essais seront réalisés à l’aide d’un dispositif expérimental original, spécifiquement développé au sein du SPHYNX. Différentes techniques d’analyse seront employées pour suivre les déformations locales et détecter les événements de (micro)fissuration avec précision. Un volet théorique, complété par des simulations numériques s’appuyant sur des modèles de réseau de fusible et de poutre aléatoires, peut également être envisagé.
Ce projet interdisciplinaire, à forte composante expérimentale, demande une appétence forte pour l’instrumentation et le travail d’équipe. Des compétences en mécanique expérimentale, en science des matériaux et/ou en physique statistique sont souhaitées. Sans être indispensable, des connaissances en modélisation et en simulation numérique constitueraient un atout supplémentaire. Le caractère à la fois fondamental et appliqué de cette recherche offrira au futur doctorant ou à la future doctorante de nombreuses perspectives professionnelles, tant dans le milieu académique que dans l’industrie.

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To reduce the environmental and/or the energetic impact of vehicles, a favored method is to decrease the mass of prime materials used to build them, that being done without hindering their mechanical performances. In this field, the use of mechanical metamaterials has been a major breakthrough. These metamaterials, generally created using additive manufacturing techniques, have a microscopic truss structure. They are porous by design, and thus very lightweight, and the distribution of their microscopic beams or tubes (i.e. their architecture) can be chosen to make them as stiff as possible, making them choice candidates for high technology applications where the rigidity-density ratio is paramount, such as aerospatial research (https://en.wikipedia.org/wiki/Metallic_microlattice).

For the most part however, metamaterials that have been designed up to now present periodical architectures. As a consequence, their mechanical behavior is inherently anisotropic, which makes them difficult to model using material mechanics conventional approaches, and strongly limits their usage in various possible fields of applications. In recent works, we have developped a new class of microlattice metamaterials with a random spatial distribution of beams, generated with a combination of random close packing and Delaunay triangulation algorithm then 3D-manufactured. These metamaterials show an isotropic mechanical behavior, and their stiffness-density ratio reaches the theoretical limit for porous materials. They are neverheless still fragile and subject to fracture and yielding.

The aim of this PhD project is to toughen these metamaterials based on techniques and mechanisms from polymer and soft matter physics. Our hypothesis is that including in a controlled statistical way structure heterogeneities, at the node level by modulating the connectivity or at the beam level by changing their section or shape, can allow toughening of the metamaterial. Indeed, localized heterogeneities can introduce mechanical dissipations in the network at various scales. The work of this project will consist in experiementally characterizing the mechanical properties of the metamaterials and to compare them to their homogeneous equivalent, and to describe their fracture resistance. Mechanical tests will be performed on an experimental setup conceived in the SPHYNX group. Analysis of the local and global deformation will be performed using different experiemental methods, in order to detect micro crack events with precision. An additionnal theoretical approach completed by numerical simulations based on fuse network and random beam models can also be discussed.

A strong interest for instrumentation and teamwork is requested for this project with a major experimental component. Proficiencies in experimental mechanics, material sciences and/or statistical physics are desirable. Some knowledge in modelization and numerical simulations are a bonus without being required. This project has both fundamental and applied interests and can help the student find prospects both in academia and in industrial opportunities.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : BONAMY Daniel
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX
URL : https://iramis.cea.fr/en/spec/sphynx/pisp/daniel.bonamy/
URL : https://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé

Mécanique avec fort attrait expériemental, science des matériaux, physique statistique