Topic description
Les avancées des techniques de fabrication additive ont considérablement élargi l'espace de conception des métamatériaux mécaniques et élastiques, permettant la fabrication de structures architecturées complexes avec une organisation hiérarchique. Cela a ouvert de nouvelles perspectives pour la création de matériaux artificiels et bio-inspirés, appelés métamatériaux, dotés de propriétés mécaniques particulières, telles qu'une grande capacité de récupération sous compression et un comportement super-élastique en traction.
Dans le domaine des matériaux piézoélectriques, les métamatériaux architecturés ont suscité un intérêt croissant en raison de leur capacité à présenter des propriétés électromécaniques améliorées et personnalisables grâce à une conception soignée de leur structure interne et à l'agencement des éléments piézoélectriques à l'échelle micro/nanométrique. Ces avancées ouvrent la voie à une nouvelle génération de dispositifs piézoélectriques aux capacités électromécaniques optimisées pour des applications telles que les capteurs, les récupérateurs d'énergie et les transducteurs.
L'objectif de ce projet doctoral est de développer un cadre de conception pour des métamatériaux piézoélectriques actifs tridimensionnels durables, destinés à manipuler les ondes acoustiques et élastiques dans des dimensions supérieures. Tout d'abord, la fabrication de ces métamatériaux piézoélectriques commencera par l'établissement d'une stratégie de conception basée sur des cellules unitaires tridimensionnelles à base de tiges, chacune intégrant des cartes de déplacement électrique précisément définies. Ces cellules unitaires seront assemblées en 3D pour former le métamatériau avec une anisotropie piézoélectrique sur mesure, permettant d'adapter son tenseur de coefficients piézoélectriques.
Ensuite, en ce qui concerne le comportement élasto-dynamique du métamatériau, le projet vise à approfondir la compréhension du comportement dynamique du réseau piézoélectrique. Cela inclura la caractérisation de la dispersion des ondes élastiques par le calcul de la structure de bandes. Par la suite, l'accent sera mis sur le développement d'outils permettant d'explorer les phénomènes de couplage de Willis et de couplage électro-moment, ainsi que leur influence sur la propagation des ondes dans ces métamatériaux architecturés.
Enfin, nous ciblerons des fonctionnalités spécifiques telles que la détection de défauts ou d'impacts, la détection directionnelle des ondes, la récupération d'énergie et l'exploration des comportements non-Hermitiens.
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The advancement of additive manufacturing techniques has significantly expanded the design space for mechanical and elastic metamaterials, enabling the construction of complex architected structures with hierarchical building. This has opened new avenues for creating artificial and bio-inspired materials, known as metamaterials, with special mechanical properties, such as high recoverability under compression and super-elastic tensile behavior. In the field of piezoelectric materials, architected metamaterials have gained considerable attention due to their ability to exhibit enhanced and customizable electromechanical properties through careful design of the internal structure and arrangement of piezoelectric elements at the micro/nanoscale. These advancements pave the way for a new generation of piezoelectric devices with improved electro-mechanical capabilities for sensors, energy harvesters, and transducers.
The objective of this doctoral project is to develop a design framework for sustainable active three-dimensional piezoelectric metamaterials aimed at manipulating acoustic and elastic waves in higher dimensions. First, the construction of these piezoelectric metamaterials will begin by establishing an engineering design strategy based on 3D strut-based unit cells, each equipped with precisely designed electric displacement maps. These unit cells will be tessellated in 3D to create the metamaterial with tailored piezoelectric anisotropy, enabling a customizable piezoelectric coefficient tensor. Secondly, in terms of the metamaterial's elasto-dynamic behavior, the project aims to gain a thorough understanding of the dynamic behavior of the piezoelectric lattice. This will involve characterizing the elastic wave dispersion through the calculation of the band structure. Subsequently, the focus will shift to developing tools to explore Willis coupling and electro-momentum coupling phenomena, and their influence on wave propagation in these architected metamaterials. Finally, we will target specific functionalities such as defect or impact sensing, directional wave detection, energy harvesting, and exploring non-Hermitian behavior.
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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