Michal Kazimierz Budzik

This Roadmap covers the status, current challenges, and new science required to address these challenges, for mechanical metamaterials. This is timely, given the sustained increase in mechanical metamaterials research outputs and patents. Sections are grouped according to anomalous properties. These include auxetic (negative Poisson’s ratio), sub-divided into geometric form, flexible and shape morphing, negative thermal expansion, and negative stiffness. Specific sections also cover naturally and biologically inspired metamaterials (characterised by complex multiscale material architectures), nanoscale/molecular metamaterials, and applications of mechanical metamaterials. Key challenges raised throughout relate to scaling up manufacturing for reliable, cost-effective production, particularly for high resolution processes nearing the molecular level, and efficiency of modelling approaches required for these multiscale systems. With opportunities to target their new, useful functionalities, such as the extreme hardness of auxetic materials, or extreme vibration damping via negative stiffness, mechanical metamaterials are contributing to rapid evolution of manufacturing and multiscale modelling.

Fracture in asymmetric bonded joints: Des tests de fissuration ont été réalisés sur des joints collés asymétriques. Ces assemblages asymétriques sont constitués de deux substrats de nature et/ou d’épaisseur différentes liés par un adhésif. Cette géométrie d’éprouvette semble peu utilisée pour effectuer des essais de fissuration. Elles présentent certains inconvénients et de ce fait n’ont fait l’objet d’aucune normalisation. Dans le cadre cette géométrie d’éprouvette d’essai a été néanmoins été retenue et utilisée dans trois configurations différentes pour la caractérisation mécanique des assemblages collés. Des protocoles d’essai et les schéma d’analyse associés ont été définis pour des essais de fissuration à vitesse de déplacement imposé (CRT : Constant Rate Test), à force imposée (CFT : Constant Force Test) ainsi qu’à déplacement imposé (CDT : Constant Displacement Test). Les analyses ont pu être étalonnées au moyen d’un étau matérialisant artificiellement la position d’un fissure. De nombreuses configurations ont été étudiées à l’occasion de ce travail tant du point de vue des adhésifs utilisés (epoxy, cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA) que du point de vue des substrats encollés (alliage d’aluminium, composite à matrice organique, polycarbonate). Ces nouveaux tests s’avèrent prometteurs car ils permettent de suivre de façon continu et précision la propagation de fissure au sein de la liaison. En outre, l’analyse des déformations mesurées par extensométrie lors d’essai réalisés à déplacement imposé (CDT) permet un suivi précis de la réponse de la couche adhésive dans la zone contrainte et d’estimer la taille de cette dernière, y compris lorsque la colle est dans un état métastable. Un autre résultat important de ce travail concerne l’analyse de la modification du front de fissure celle-ci voit une diminution de l’adhésion entre les deux substrats. Enfin, un calcul plus précis du taux de restitution d’énergie a été proposé pour prendre en compte le caractère élastique de la couche adhésive, mais permettant aussi de mieux appréhender la redistribution des contraintes dans la colle, et ainsi mieux interpréter les essais mécaniques réalisés. Des analyses par Microscopie à Force Atomique (AFM) ainsi qu’au microscope électronique à balayage (MEB) ont été effectués sur les substrats encollés pour évaluer l’impact des traitements de surface. Des simulations numériques par la method des éléments finis ont été réalisées pour determiner l’état de contrainte dans nos éprouvette d’essai et ainsi expliquer la courbure du front de fissure et les faciès de rupture observés. Les nouvelles configurations expérimentales décrites dans ce manuscript nous paraissent prometteuses car elle offrent une amelioration très significative en terme de fiabilité et précision comparativement aux tests présentés habituellement pour ce type de travaux.

Background: Measuring the mode-I toughness of two-dimensional (2D) lattice materials and other thin-sheet materials poses a significant challenge with existing testing techniques. For example, material compression ahead of the crack or unstable crack growth frequently arise during testing of these materials and can complicate toughness measurements. Objective: This study investigates a new experimental method, the hinged rigid beam (HRB), to evaluate the mode-I toughness of elastic-brittle 2D lattice and thin-sheet materials. Methods: The HRB uses stiff beams and a hinged boundary to create a monotonically decreasing tensile stress along the length of the test material in the direction of the crack path. An analytical model, corrected using finite element studies, allows the critical strain energy release rate to be extracted from experimental data collected in HRB testing. Tests on homogeneous poly(methyl methacrylate) (PMMA) are performed to validate the technique and model. Then, 2D triangular and hexagonal lattices with varying relative densities are characterized using the HRB. Results: Compliance measurements from experiments on homogeneous PMMA closely match the corrected model, and toughness measurements are consistent with previously reported values. Stable crack growth was observed in the tested lattice specimens, and toughness values were readily calculated. Toughnesses are compared to models for lattice fracture that use simple scaling laws. Good agreement is observed between experiments and model, especially at lower relative densities. As the relative density of the triangular lattices increased, the failure mode transitioned from strut-based to node-based, and the measured toughness values diverge from the models. Conclusions: The HRB method allows for stable crack growth and prevents alternative modes of failure, like buckling, in thin-sheet materials and 2D lattices. This new experimental approach can be used for the fracture testing of a wide range of thin or highly compliant materials.