Comparative study of infrared thermography, ultrasonic C-scan, X-ray computed tomography and terahertz imaging on composite materials

Abstract

L’évaluation non destructive (NDT) des matériaux composites est compliquée en raison de la vaste gamme de défauts rencontrés (y compris délaminage, microfissuration, fracture de la fibre, retrait des fibres, fissuration matricielle, inclusions, vides et dommages aux chocs). La capacité de caractériser quantitativement le type, la géométrie et l’orientation des défauts est essentielle. La thermographie infrarouge (IRT), en tant que technique de diagnostic d’image, peut satisfaire le besoin industriel croissant de NDT&E. Dans la thèse, la thermographie par excitation optique et mécanique a été utilisée pour étudier différents matériaux composites, dont 1) des préformes sèches en fibres de carbone, 2) des composites de fibres naturelles, 3) des composites hybrides de basalte-fibres de carbone soumis à une charge d’impact (séquence de type sandwich et séquence d’empilement intercalé), 4) des défauts micro-dimensionnés dans un composite polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) en 3D avec une couture de type « joint en T », et 5) des peintures sur toile qui peuvent être considérées comme des matériaux composites. Une nouvelle technique IRT de thermographie de ligne par micro-laser (micro-LLT) a été proposée pour l’évaluation des porosités submillimétriques dans le CFRP. La microscopie de points par micro-laser (micro-LST) et la micro-vibrothermographie (micro-VT) ont également été présentées avec l’utilisation de microlentilles. La thermographie pulsée (PT) et la thermographie modulée « à verrouillage » (LT) ont été comparées à la tomographie par rayons X (TC) pour validation. Le C-scan ultrasonore (UT) et l’imagerie par ondes tera-hertziennes en onde continue (CW THz) ont également été réalisés à des fins comparatives. L’inspection par techniques thermographiques est une question ouverte à discuter pour le public scientifique. En fait, la thermographie par impulsions (PPT) basée sur la transformation de phase a été utilisée pour estimer la profondeur des dommages. Pour traiter les données thermographiques, on a également utilisé la reconstruction de signal thermographique de base (B-TSR), la thermographie des composants principaux (PCT) et la thermographie des moindres carrés partiels (PLST). Enfin, une analyse complète et comparative basée sur le diagnostic d’images thermographiques a été menée en vue d’applications industrielles potentielles.

Non-destructive testing (NDT) of composite materials is complicated due to the wide range off laws encountered (including delamination, micro-cracking, fiber fracture, fiber pullout, matrix cracking, inclusions, voids, and impact damage). The ability to quantitatively characterize the type, geometry, and orientation of flaws is essential. Infrared thermography (IRT), as an image diagnostic technique, can satisfy the increasing industrial need for NDT&E. In the thesis, optical and mechanical excitation thermography were used to investigate different composite materials, including 1) carbon fiber dry preforms, 2) natural fiber composites, 3) basalt-carbon fiber hybrid composites subjected to impact loading (sandwich-like and intercalated stacking sequence), 4) micro-sized flaws in a stitched T-joint 3D carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), and 5) paintings on canvas which can be considered as composite materials. Of particular interest, a new IRT technique micro-laser line thermography (micro-LLT) was proposed for the evaluation of submillimeter porosities in CFRP. Micro-laser spot thermography (micro-LST) and micro-vibrothermography (micro-VT) were also presented with the usage of a micro-lens. Pulsed thermography (PT) and lock-in thermography (LT) were compared with x-ray computed tomography (CT) for validation. Ultrasonic C-scan (UT) and continuous wave terahertz imaging (CW THz) were also conducted for the comparative purpose. The inspection by thermographic techniques is an open matter to be discussed for the scientific audience. In fact, pulse phase thermography (PPT) based on phase transform was used to estimate the damage depth. Basic thermographic signal reconstruction (B-TSR), principal component thermography (PCT) and partial least squares thermography (PLST) (another more recent advanced image processing technique) were also used to pro-cess the thermographic data. Finally, a comprehensive and comparative analysis based on thermographic image diagnostics was conducted in view of potential industrial applications.