La réduction des émissions de gaz à effet de serre représente un enjeu majeur de notre époque. Dans le secteur des transports, la diminution de la masse des structures est un levier essentiel de cette réduction. Dans cette optique, il est nécessaire de développer des matériaux plus légers sans compromettre leurs propriétés mécaniques (élasticité, plasticité et résistance à la fracture). Le développement rapide des techniques de fabrication additive ouvre de nouvelles voies dans la réalisation de matériaux ultralégers. C’est notamment le cas des matériaux microtreillis, constitués de poutres ou tubes encastrés dont l’arrangement géométrique (architecture) conduit à de nouvelles propriétés. Ces métamatériaux mécaniques, combinant une porosité élevée et une rigidité plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des matériaux traditionnels de densité équivalente, ouvrent la voie à des espaces de propriétés jusqu’alors inexplorés. Si les premières générations de ces matériaux étaient périodiques, des travaux récents ont démontré l’intérêt des architectures aléatoires pour optimiser leurs performances et garantir leur isotropie mécanique.
Cette thèse s’inscrit dans cette dynamique en explorant des méthodes pour améliorer la limite élastique en compression et la résistance à la rupture. L’approche est principalement numérique. Elle s’articule en deux parties.
Dans la première partie, nous explorons le potentiel de microtreillis 2D et 3D d’architectures fractales. Nous verrons comment il est possible de concevoir celles-ci pour moduler spatialement taille et forme des poutres individuelles de manière statistiquement isotrope et invariante d’échelle. Nous verrons ensuite l’impact sur le comportement élastique et la limite élastique des métamatériaux mécaniques ainsi générés. Nous montrerons en particulier qu’il est ainsi possible, dans certains cas, d’obtenir une relation linéaire entre la limite élastique et la densité relative des matériaux, en lieu et place de la relation quadratique observée traditionnellement.
La seconde partie se concentre sur les propriétés de métacomposites nacre-inspirés. L’architecture de ces microtreillis a la particularité de présenter des zones fortement connectées, rigides, identifiées aux renforts d’un composite, et des zones faiblement connectées, molles, analogues à la matrice des matériaux composites. Nous présentons tout d’abord comment concevoir de tels matériaux. Nous verrons ensuite comment la modulation des tailles et proportions des zones dures et molles permet d’obtenir des propriétés élastiques à la demande dans ces métacomposites. Enfin, nous explorerons l’effet de renforcement sur la résistance à la fracture en tension induit dans ces métamatériaux.