Matériaux cellulaires structurés imprimés 3D avec propriétés thermomécaniques programmables

 

Abdolhamid Akbarzadeh Shafaroudi

Université McGill

 

Domaine : matériaux

Programme : établissement de nouveaux chercheurs universitaires

Concours 2018-2019

Les matériaux cellulaires possèdent d'exceptionnelles propriétés multifonctionnelles à faible masse qui en font un matériau avancé idéal pour optimiser le rendement des structures légères. Les propriétés uniques des matériaux cellulaires structurés périodiques à faible masse, appelés « métamatériaux », sont principalement régies par leur nano-architecture/micro-architecture (topologie, connectivité et densité relative), ainsi que par leur composition matérielle. Alors que les ingénieurs ont principalement tendance à éviter la déformation et la défaillance sous un effort de tension/compression, la présente recherche proposée adopte plutôt une « instabilité élastique » pour concevoir des métamatériaux à structure cellulaire novateurs pour transformation de formes. La Nature a été le tout premier ingénieur à utiliser l'instabilité pour concevoir des éléments vivants pour les organismes et les plantes. Divers exemples de la Nature illustrent le potentiel d'utilisation de l'instabilité élastique dans les matériaux cellulaires structurés constitués d'éléments transformateurs de formes ou multi-stables pour concevoir des matériaux légers de pointe comportant de multiples configurations stables donnant lieu à de nombreuses propriétés multiphysiques, puisque leur microarchitecture sous-jacente est réorganisée dès le début du processus d'instabilité élastique. Les progrès technologiques dans les techniques de fabrication et d'impression 3D ont fait des matériaux cellulaires structurés l'un des matériaux d'ingénierie les plus intéressants pour les applications dans les secteurs de l'énergie, l'automobile, l'aérospatiale et la médecine. Malgré une croissance remarquable de la recherche sur les matériaux avancés, la conception d'un matériau léger mais rigide comportant des propriétés thermiques programmables représente encore un défi pour les ingénieurs. La présente recherche FRQNT exploitera l'instabilité élastique et la multi-stabilité de matériaux cellulaires structurés pour concevoir des matériaux 3D légers et reconfigurables d'avant-garde comportant des propriétés thermomécaniques anisotropes programmables. Les objectifs sont d'utiliser des techniques de calcul basées sur l'analyse non linéaire des éléments finis, l'homogénéisation multiscalaire et l'analyse raffinée des valeurs propres, ainsi que l'impression et le moulage 3D, pour élaborer une nouvelle stratégie de conception et d'analyse de matériaux cellulaires à transformation de formes comportant une conductivité thermique et une rigidité/résistance mécanique programmables. Pour mener des études théoriques, informatiques et expérimentales et pour atteindre les objectifs susmentionnés, deux candidats à la maîtrise seront recrutés à l'été 2018 grâce au fonds de fonctionnement FRQNT, tandis qu'une imprimante PolyJet 3D de précision (Objet24) et une caméra thermique (FLIR E75) nécessaires pour le prototypage et les tests thermiques seront achetés grâce au fonds d'acquisition de matériel FRQNT. La recherche proposée s'intègre parfaitement aux niches d'excellence du Québec en matériaux polyvalents et matériaux composites avancés, en harmonie avec les initiatives stratégiques prioritaires du Québec en matière d'aérospatiale et de durabilité. Enfin, le financement demandé via le Programme d'établissement de nouveaux chercheurs universitaires du FRQNT aura un impact énorme sur mes efforts de recherche visant à présenter des stratégies de pointe pour le développement de matériaux légers avancés programmables, avec d'énormes impacts potentiels sur l'économie du Québec et du Canada, en particulier dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'énergie, de l'automobile et de la construction.