Systems in extreme thermal environments are susceptible to severe temperature changes. Variations in temperature can lead to undesired geometric changes in sensitive applications that require very fine precision, such as satellite antennas, space telescopes, and large array mirrors. These applications call for materials with zero coefficient of thermal expansion (CTE) to avoid unexpected thermal deformation. On the other hand, other applications require materials with large positive or negative CTE which make them capable to morph and adapt their geometry in response to variations in temperature. In these scenarios, materials that are able to provide tunable thermal expansion with high structural efficiency become crucially important.

It is known that the CTE of architected materials, as opposed to that of conventional solids, can be tuned by intentionally altering the geometry and material distribution of their dual-material architecture. Existing concepts, however, offer a limited range of CTEs, which is obtainable from a restricted palette of materials only. In addition, they feature an inherent coupling between their thermal and elastic properties, with high specific stiffness obtainable at the expense of CTE tunability, and vice versa. The overarching goal of this work is to address these intertwined issues so as to expand the CTE range that an architected material can offer without penalizing its specific stiffness.

The thesis introduces a class of planar and three dimensional architected materials with tunable thermal expansion. In 2D, hierarchical lattice materials are proposed to feature a theoretically unbounded range of CTE tunability, regardless of their constituent solids. An unbounded control on thermal expansion is achieved without incurring in severe loss of structural performance. Stretch-dominated bi-material diamonds with low- and high-CTEs are proposed as building blocks of hierarchical lattices, including those made of recursive unit cells, with the goal of decoupling thermal and elastic properties. In 3D, a unifying methodology based on thermoelastic behavior of dual-material tetrahedra is developed for the analysis and design of spatial lattices and truss structures with desired thermal expansion modes including unidirectional, transversely isotropic, and isotropic CTE. The method establishes a relationship between the unit cell symmetry and its corresponding thermoelastic response, which is expressed by introducing the thermal expansion vector of the building block in the unit cell. The methodology is exemplified through the application to a set of three dimensional lattices, such as the dual-material Octet-truss, which are proved not only to be stiffer and stronger than any other existing concepts, but also to offer a highly tunable CTE.

The method and concepts are obtained via a combination of thermoelastic mechanic theory, numeric simulations, and physical experiments on 3D fabricated prototypes with plan and spatial architecture. The material architectures are scale independent and can open up new avenues towards the development of multifunctional materials with customizable thermal expansion and mechanical properties. The novelty and simplicity of the proposed designs, as well as the ease in fabrication, make the concepts here introduced well-suited for a wide range of applications across the length scale, including satellite antennas, space optical systems, precision instruments, thermal actuators, and MEMS.

Les systèmes dans des environnements extrêmes sont sujets à de larges variations de température. Ces écarts de température peuvent provoquer des changements de géométries non désirés pour des applications sensibles requérant une très grande précision, comme pour les antennes de satellites, les télescopes spatiaux ou les panneaux solaires. Ces applications nécessitent l’utilisation de matériaux possédant un coefficient d’expansion thermique (CET) nul afin d’éviter des déformations thermiques inattendues. Par ailleurs, d’autres applications requièrent des matériaux avec de grands CET, positifs ou négatifs, de manière à ce qu’ils puissent ainsi adapter leurs géométries en réponse aux variations de température. Dans ces scénarii, les matériaux dont il est possible de régler l’expansion thermique en gardant une grande efficacité structurelle deviennent de première importance.

Il est avéré que le CET de matériaux architecturés, à l’opposé de celui des solides conventionnels, peut être réglé en altérant de manière intentionnelle leurs géométries et leurs distributions, ce qui est rendu possible grâce à leur architecture duale. Les concepts préexistants n’offrent cependant qu’une plage limitée de CET, obtenue à partir d’une faible diversité de matériaux. De plus, il existe un couplage inhérent de leurs propriétés thermiques et élastiques, une grande raideur spécifique étant ainsi obtenue au dépend de la finesse du réglage du CET, et vice versa. Le but principal de cette étude est de traiter de cette problématique de couplage afin de faire en sorte qu’augmenter la plage de CET ne résulte pas en une raideur spécifique dégradée.

La thèse introduit une classe de matériaux architecturés dans le plan et tridimensionnels dont il est possible de régler l’expansion thermique. En 2D, des matériaux hiérarchisés avec une structure en treillis sont proposés pour représenter une plage théorique illimitée de réglage de CET, sans tenir compte des solides les constituant. Un contrôle illimité d’expansion thermique est atteint sans trop impacter les performances structurelles. Des diamants composés de deux matériaux à déformations axiales, avec des grands et des faibles CET sont proposés comme unité de base dans la structure des treillis hiérarchisés, incluant ceux fait de cellules récursives, dans le but de découpler les propriétés thermiques et élastiques. En 3D, une méthodologie universelle basle sur le comportement thermoélastique de tétrahedrons bi matériaux est développée pour l’analyse et le design de treillis dans l’espace et de structures en barreaux possédant des modes d’expansion thermiques recherchés, parmi lesquels les modes unidirectionnels, transverses isotropiques et isotropiques. La méthode établie une relation entre la symétrie de la cellule et la réponse thermoélastique correspondante, qui est exprimée en introduisant le vecteur d’expansion thermique de l’unité de base dans la cellule. Afin d’illustrer cette méthodologie, sont donnés des exemples de son application sur plusieurs structures en treillis tridimensionnels, comme l’Octet-truss bi matériaux, dont il est prouvé qu’il est non seulement plus rigides et plus résistants que nÿ importe quel autre concept existant, mais qu’il offre aussi un CET réglable de manière très précise.

La méthode et les concepts sont obtenus via une combinaison de théorie mécanique thermoélastique, de simulations et d’expérimentations faites sur des prototypes tridimensionnels manufacturés avec des architectures planes ou spatiales. L’architecture des matériaux est échelonnée de façon indépendante et peut permettre d’ouvrir de nouvelles voies sur le développement de matériaux multifonctionnels possédant des expansions thermiques et des propriétés mécaniques personnalisables. Le caractère inédit et la simplicité des designs proposés, de même que le procédé simpliste de leurs fabrications, rendent ces concepts introduits ci-dessus bien adaptés pour de multiples applications à différents échelles, comme (pour) les antennes de satelites, les systems optiques spaciaux, les instruments de précisions, les actionneurs thermiques ou les systèmes microélectromécaniques.