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Comptes Rendus des JNC17 - Poitiers 2011

Dtection dendommagement dans les composites laide desmicro-ondes. Comparaison avec la thermographie infrarouge

Damage detection in composite materials by using microwaves. Comparisonwith infrared thermography

J. Rossignol1, M.L. Pastor2, A. Thionnet3,4

1 : Institut Carnot de Bourgogne, CNRS UMR 5209e-mail : [email protected]

2 : Institut Clment Ader, Toulouse, IUT de Tarbes, BP1624, 65016 Tarbes, Francee-mail : [email protected]

3 : Centre des Matriaux, Mines Paristech, CNRS UMR 7633, BP 87, 91003 Evry cedex, Francee-mail : [email protected]

4 : Universit de Bourgogne, Mirande, BP 47870, 21078 Dijon, Francee-mail : [email protected]

Rsum

On compare dans cette tude deux mthodes de dtection dendommagement dans les composites : unebase sur la technologie des structures propagatives lectromagntiques dans la gamme des micro-ondeset lautre base sur la mesure de champs thermiques dans la gamme des infrarouges. Toutes deux sontappliques la dtection des ruptures de fibres et du dlaminage dans des composites fibres/rsine detype verre/poxy et carbone/poxy.

Abstract

In this study, two methodes of damage detection in composites are compared. The first one is based onelectromagnetic propagation inside materials at microwave frequencies. The second method is basedon thermal fields measurements in infrared frequencies. Both methods are applied to fibre breakingand delamination detection. Two materials are tested : glass/epoxy and carbon/epoxy.

Mot Cls : CND, caractrisation dilectrique, micro-ondes, thermographie infrarouge, dtectiondendommagement, compositesKeywords : non-destructive control, dielectric characterisation, infrared thermography, damage de-tection

1 But de ltude

Cette tude propose de dtecter, par deux mthodes distinctes, les principaux endommagementsau sein des composites unidirectionnels et/ou stratifis dunidirectionnels : ruptures de fibres et d-laminage. Les matriaux considrs sont soit de type carbone/rsine, soit de type verre/rsine. Lesendommagements ont t crs par des essais de flexion 3 points sur des prouvettes dunidirection-nels 0 dimensionnes de telle sorte que pour certaines, seul le phnomne de rupture de fibre soitprsent et que pour dautres, le cisaillement hors plan provoque en plus ce que lon peut assimiler dudlaminage.

La premire mthode de dtection envisage voit la structure expertiser comme faisant partie dumoyen de mesure : elle joue le rle du substrat dune ligne de propagation lectromagntique dans lagamme des micro-ondes. La prsence dendommagement est alors rvle par le fait que la modificationdes proprits de ce substrat par de lendommagement modifie les caractristiques de la ligne et donc,modifie les ondes transmises et rflchies.

La seconde mthode envisage utilise une source de chaleur externe (lampe halogne) qui transmetun flux thermique au matriau. La mesure des ondes infrarouges rflchies par le matriau permetdobtenir la temprature en surface de ce dernier. La prsence dun dommage cre un milieu htrogneet est alors rvl par une modification du champ de temprature de la structure.


2 La mthode de dtection utilisant la technologie des micro-ondes

Sils peuvent videmment se propager dans lespace, les champs lectromagntiques sont propagsle plus couramment dans des guides dondes, des lignes bifilaires et des lignes propagatives comme parexemple les circuits microrubans.

Une ligne propagative de type circuit microruban se compose dun substrat dont lune des facesest mtallise (par un film de cuivre coll, dans notre cas), jouant le rle de plan de masse. Lautrenest recouverte que partiellement (quelques cm2) de mtal sous la forme dun motif conducteur :cest le ruban. La forme du motif, aux gammes de frquences utilises, confre au circuit microrubanune fonction lectronique de base, soit de filtre soit de rsonateur. Ltude de la propagation dunchamp lectromagntique dans un circuit microruban est rendue difficile en raison dune propagationqui seffectue simultanment dans le substrat, mais galement dans lair. Cependant, deux hypothseslgitimes en premire approximation sont couramment faites : les modes de propagation des champssont dominante de type Transverse ElectroMagnetic (TEM) et les milieux tests sont faibles pertesdilectriques. On adopte ces hypothses pour cette tude. Dans ces conditions et dans le cas o lecircuit est rsonant, on peut dfinir pour la structure de propagation concerne, notamment, unefrquence de rsonance, note fc. Laccs exprimental la valeur de fc se fait de manire indirecte.Plus prcisment, on utilise un analyseur de rseaux vectoriel sur le plan frquentiel reli par un cblecoaxial lune des extrmits du ruban, lautre extrmit du ruban tant soit relie une impdancede valeur donne et fixe, soit mise en court-circuit avec le plan de masse. On dfinit le plan de rfrencedes mesures lentre du ruban. Dans ce plan, lanalyseur de rseaux mesure londe lectromagntiqueincidente quil met et londe rflchie pour laquelle on associe, pour ce plan, un coefficient de rflexioncomplexe appel usuellement S11 et not ici . Les mesures du coefficient en fonction de la frquencepermettent didentifier fc.

Les grandeurs et fc dpendent de la gomtrie du ruban et du substrat. Elles dpendent aussides proprits physiques des matriaux qui les constituent, notamment de la permittivit dilectriquerelative r du matriau constitutif du substrat. Toutes ces grandeurs tant fixes, en premire approxi-mation, fc et r ne dpendent plus que de la frquence de londe qui parcourt le circuit. En ce quiconcerne r, cette dpendance est trs faible pour les milieux que lon tudie ici. On suppose doncimplicitement admis dans la suite que la permittivit des milieux utiliss comme substrat est constantevis--vis de la frquence.

Le principe de la dtection est le suivant : dabord, on mesure diffrents instants choisis pour lesquels une sollicitation mcanique a tsusceptible de crer un endommagement ;

ensuite, en prenant un tat vierge dendommagement comme rfrence, on compare les mesures ces instants avec les mesures faites pour ltat de rfrence.

Le diagnostic de dtection de lendommagement repose alors sur le postulat suivant : en labsencede tout phnomne dissipatif autre que lendommagement que lon souhaite dtecter, en supposantque les caractristiques gomtriques des diffrents lments de la ligne de propagation ainsi que lesproprits physiques du matriau constitutif du plan de masse et du ruban sont constantes, si lonrelve des variations entre les valeurs de et fc mesures un instant donn et celles mesures pourltat de rfrence, alors ces variations seront imputes des variations des proprits dilectriquesdu matriau-susbtrat, rvlatrices de lendommagement au sein de ce matriau. Plus prcisment, cesvariations seront le reflet du fait que la permittivit dilectrique r a t modifie par lendommagementet donc que le matriau est effectivement endommag.

Pour cela, on se place sous lHypothse des Petites Perturbations qui justifie le fait que les variationsde dimensions du ruban sont suffisamment petites pour quelles ne modifient pas les caractristiques ducircuit, et on estime quaucun autre phnomne dissipatif notable, susceptible de modifier les propritsdilectriques et mcaniques du milieu analys, autre que lendommagement dtecter, nest prsent.Ces hypothses sont videmment mises en dfaut au voisinage de ltat de ruine du matriau.

Pour lheure, lobjectif nest pas de quantifier la dpendance de r vis--vis de lendommagement.Il sagit uniquement de voir si les variations de mesure sur les grandeurs et fc, entre celles faites uninstant donn et celles faites sur ltat de rfrence, mises en vidence par cette mthode de dtection,peuvent tre corrles dautres indicateurs de prsence dendommagement. Enfin, signalons que lon


a vrifi au pralable de toute autre mesure que la mthode est capable de dtecter lanisotropie dumatriau [1] [2] [3] [4].

3 La mthode de dtection utilisant la thermographie infrarouge

La thermographie infrarouge est une mthode optique sans contact et en temps rel. Elle peut treutilise pour faire du suivi dendommagement lors dessais mcaniques mais galement en contrle nondestructif. Dans ce cas, la thermographie infrarouge est base sur lapplication dune sollicitation ther-mique lchantillon via une source de chaleur (lampes halognes) [5]. Les ondes mises se propagent lintrieur de lprouvette et sont rflchies en atteignant les bords libres de lprouvette. La prsencedun dfaut cre un milieu htrogne et modifie son indice. Lorsque les ondes rencontrent ce milieu,elles sont perturbes et un gradient de temprature est alors gnr dans le matriau. En effet, les deuxmilieux ont une conductivit thermique diffrente et donc une missivit diffrente qui est capte parle capteur infrarouge de la camra. Ce dernier permet alors de convertir lmissivit en temprature.La diffrence de temprature entre les diffrents milieux est mesure. Une cartographie bidimension-nelle du champ thermique est cr et les inhomognits sont alors dtectes [6][7][8][9]. Cette mthodepermet la dtection dinclusions, de dlaminage, de dcohsions et de fissurations [10]. Les compositessont bien adapts la thermographie infrarouge car ils possdent une diffusion thermique moyenne etun change dnergie thermique faible avec lextrieur ce qui permet de gnrer un signal infrarougeassez fort.

4 Description des essais raliss et des mesures

4.1 Les essais

La dtection des ruptures de fibres a t ralise : pour un composite verre/poxy sur une seule gomtrie dprouvette de type plaque mince ; pour un composite carbone/poxy laide de 3 gomtries dprouvette diffrentes par leurpaisseur : 3, 6 et 8 mm.

Le test utilis pour dtecter les ruptures de fibres est un essai de flexion 3 points ralis sur uneprouvette unidirectionnelle 0. Il permet de contrler lapparition et lvolution du phnomne.Lessai de flexion est pilot en dplacement. Le profil de dplacement du couteau en fonction du tempsest de type charge/dcharge en "dent-de-scie".

La dtection du dlaminage a t ralise uniquement sur certaines des prouvettes du compositecarbone/poxy. Plus prcisment, sur les prouvettes les plus paisses (6 et 8 mm), les essais de flexion 3points provoquent par cisaillement intralaminaire lapparition dune macrofissure qui coupe lprouvettedans le sens de son plan moyen approximativement mi-paisseur (Fig. 4(a)). Ce phnomne se produitde manire trs brutale et dfinit la ruine de lprouvette. Cest ce phnomne que nous qualifions dedlaminage ds lors que la macrofissure a t referme (Fig. 4(b, c)). Il est ainsi exactement le mme,par exemple, que celui qui apparat en fatigue dans le plan mdian dun stratifi (0, 45,45, 90)s.

4.2 Les mesures par la technologie utilisant des micro-ondes

La grandeur mesure par la mthode de dtection utilisant les micro-ondes est le coefficient . Cestun nombre complexe. Les analyses des mesures se font au travers de la partie relle, imaginaire et delamplitude de cette grandeur. Pour comparaison un tat de rfrence, on utilise galement la partierelle, imaginaire et lamplitude du coefficient REF

REF, o REF dsigne le coefficient de ltat choisi

comme rfrence.Afin de ne pas superposer dans la variation ventuelle de , la variation due lendommagement

et celle due lexistence dun champ de contrainte au sein du matriau, les mesures sont ralises auxretours charge nulle. Linstrumentation dune prouvette, ncessaire pour les mesures microondes,est ralise par un film de cuivre qui recouvre entirement lune de ses faces et par un ruban de cuivreplac perpendiculairement laxe longitudinal de lprouvette (Fig. 4).


Pour la dtection des ruptures de fibre, ltat de rference est celui de lprouvette de flexion 3points linstant du retour un dplacement nul aprs le premier dplacement (donc le plus faible)maximum appliqu. En plus du coefficient susceptible de rvler les ruptures de fibres, la rupturede pente de la courbe force/flche, rvlatrice de linitiation et de lvolution de cet endommagement,sera corrle aux mesures faites par la mthode de dtection par microondes.

Concernant le dlaminage, aprs avoir conduit les essais et les mesures pour la dtection des rup-tures de fibres jusqu lapparition de la macrofissure, on referme ses lvres et on r-instrumente cette"nouvelle" prouvette comme dans son tat initial. On procde alors une unique mesure microondede cet tat dlamin que lon va comparer avec celle faite pour ltat de rfrence, dfini comme tantcelui initial aprs la premire instrumentation. Ainsi, contrairement au cas des ruptures de fibres olon suit lvolution du phnomne de son initiation sa fin, pour le dlaminage, on ne compare quunseul tat avec ltat de rfrence : celui qui correspond lprouvette pour laquelle la macrofissurecre a t referme et r-instrumente.

4.3 Les mesures par la technologie utilisant la thermographie infrarouge

Les mesures thermiques sont ralises une frquence de 50 Hz avec une camra infrarouge FlirTitanium. La camra dispose dun plan focal de 320240 pixels. Sa rsolution thermique vaut environ20 mK pour une gamme de temprature de 5 40 C. Les dtecteurs infrarouges de la camra ont unegamme de longueur donde de 3,5 5 m. Le temps dintgration utilis est de 950 m.

La camra est place en face de lprouvette une distance de 80 cm. Lprouvette est sollicitethermiquement grce une ou deux lampe(s) halogne(s) distante(s) de 60 cm par rapport cettedernire (Fig. 7). Deux configurations ont t mises en place (Fig. 7) :

dans le premier cas, le dispositif permet une mesure en transmission cest--dire que la facede lprouvette observe par la camra infrarouge est oppose la face claire par la lampehalogne. La camra et lclairage se font donc face ;

dans le second cas, le dispositif permet une mesure en rflexion cest--dire que la face de lprou-vette observe par la camra IR est la mme que la face claire par la lampe halogne. La camraIR et lclairage sont donc du mme ct de lchantillon.

Il est souvent prfrable de mettre en place le second dispositif car il est le plus utilis industriellement.En effet, le contrle non destructif est trs souvent ralis in-situ sans dmontage des pices industrielles.

Les deux dispositifs exprimentaux permettent gnralement de mettre en vidence des endom-magements diffrents. Dans les deux cas, la lampe transmet un flux thermique durant 10 s. Un filmrelevant le champ de temprature projet la surface de lprouvette est enregistr. Celui-ci dure 30 sde faon enregistrer la monte de chaleur (10 s) et le dbut de la descente en temprature (20 s).

5 Rsultats des mesures de la mthode utilisant la technologie des

micro-ondes

5.1 Dtection des ruptures de fibres dans le composite verre/poxy

A partir de lanalyse des mesures micro-ondes, on constate que la partie imaginaire du coefficientREF

REFmontre des variations notables partir dun dplacement du couteau de flexion voisin de

4.5 mm [1]. Ce dplacement est en outre repr exprimentalement comme tant celui qui indiquesignificativement le dbut de lapparition des ruptures de fibres. En effet, on observe pour cette valeurune rupture significative de la pente de la courbe force/dplacement [1] La rupture des fibres est doncbien dtecte.

5.2 Dtection des ruptures de fibres dans le composite carbone/poxy

Pour les prouvettes de 3 mm dpaisseur, partir de lanalyse des mesures micro-ondes, on constateque les variations de pente de la courbe force/dplacement se corrlent avec les variations du coefficientREF

REF, aussi bien pour les parties relle et imaginaire que pour lamplitude (Fig. 1). En fait, il a t

facile danalyser les mesures sur ces prouvettes car la frquence de rsonance constate pour ltat


vierge dendommagement ne varie pas significativement au cours de lessai. Pour les prouvettes de 6et 8 mm dpaisseur, les variations de pente de la courbe force/dplacement se corrlent aussi avec lesvariations du coefficient REF

REF. Nanmoins, la frquence de rsonance voluant galement, il est plus

difficile de prsenter des rsultats sous une forme similaire ceux des prouvettes de 3 mm. On neprsente donc que les variations du coefficient REF

REF(Figs. 5 et 6) qui mettent en vidence que la

rupture des fibres est bien dtecte.

5.3 Dtection du dlaminage dans le composite carbone/poxy

Pour les deux types dprouvettes (paisseur 6 mm et 8 mm), on constate une modification signi-ficative entre la mesure faite pour ltat de rfrence et celle faite aprs refermeture des macrofissureset r-instrumentation des prouvettes (Figs. 2 et 3). Pour ces prouvettes, le dlaminage est donc biendtect.

6 Rsultats des mesures de la mthode utilisant la thermographie

infrarouge

6.1 Dtection des ruptures de fibres dans le composite verre/poxy

Dans le cas des composites verre/poxy, la rupture des fibres est observe la fois en rflexion eten transmission (Fig. 8). Sur lprouvette non endommage, le champ de temprature est homognedans toute lprouvette ce qui nest pas le cas pour les prouvettes endommages.

6.2 Dtection des ruptures de fibres dans le composite carbone/poxy

La rupture de fibres a toujours t observe quelle que soit lpaisseur de lprouvette par transmis-sion. Pour les prouvettes de 3 mm dpaisseur, la rupture de fibres a t clairement mise en vidence(Fig. 9). Lors du refroidissement, il apparat sur lprouvette une ligne horizontale. Cela signifie quily a un changement de temprature au sein de lprouvette. Lorigine de cela est le changement deconductivit thermique du matriau. Cela impose que le matriau prsente un endommagement. Apartir de cette cartographie, il est possible de dterminer la position du dfaut. Ici le seul paramtreintressant est de le positionner dans le sens longitudinal de lprouvette. Ici il se situe environ 7,8cm du haut de lprouvette. Pour les prouvettes de 6 et 8 mm dpaisseur, il est plus difficile de mettreen vidence les ruptures de fibres car ces prouvettes prsentent galement du dlaminage qui est bienplus important et donc plus visible que la rupture de fibres (Fig. 10).

6.3 Dtection du dlaminage dans le composite carbone/poxy

Le dlaminage a toujours t observ par rflexion. Les prouvettes de 3 mm dpaisseur ne pr-sentent pas de dlaminage. Elles nont effectivement prsent aucune perturbation de temprature parrflexion lors des essais. Pour les prouvettes de 6 et 8 mm, le dlaminage a t clairement mis envidence (Fig. 10). Le dlaminage est visible sur le haut de lprouvette. La figure (Fig. 10) montreque la temprature volue suivant une certaine courbure qui correspond srement la courbure initiepar la flexion 3 points.

7 Conclusion

En conclusion, on peut affirmer que la mthode de dtection utilisant la technologie micro-ondedtecte aussi bien les ruptures de fibres que le dlaminage. Toutefois, aucun travail na encore t ralisafin de voir comment les mesures doivent tre interprtes et analyses pour en extraire non seulementla signature des endommagements mais aussi leur densit. Afin de raliser ce travail, une mthodesusceptible de donner des indications sur la position mais aussi sur la densit de dfaut est ncessaire.La thermographie infrarouge peut tre cette technique. Elle a, en effet, prouv quelle dtecte, commelautre mthode, les endommagements existant au sein de toutes les prouvettes.


Rfrences

[1] J. Rossignol and A. Thionnet. Une nouvelle technique de dtection des endommagement dans les composites basesur lutilisation des micro-ondes et des circuits microrubans rsonants. Comptes Rendus de lAcadmie des Sciencesde Paris (Mcanique), 334 :719724, 2006.

[2] J. Rossignol and A. Thionnet. Dtection dendommagement dans les composites fibres/rsine laide de la techno-logie micro-onde. Revue des composites et des matriaux avancs, vol. 16, n3 :263278, 2006.

[3] J. Rossignol and A. Thionnet. Dtection de ruptures de fibres au sein dun composite unidirectionnel laide duncircuit micro-onde rsonant. Matriaux 2006, Dijon, France, 13-17 novembre :papier 0014, 2006.

[4] J. Rossignol and A. Thionnet. Dtection dendommagement dans les composites fibres/rsine laide de la techno-logie micro-onde. JNC15, Marseille, France, 6-8 juin, 2007.

[5] D. Meola, G.M. Carlomagno, M. DiFoggia, and O. Natale. Infrared thermography to detect residual ceramic in gasturbine blades. Appl. Phys. A, 91 :685691, 2008.

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[10] B. Hay, J. Filtz, and J. Batsale. Mesure de la diffusivit thermique par la mthode flash. Techniques de lingnieurR 2 955 Trait mesures et contrles, 2000.


0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

30

A B

D (mm)

A

B

Fig. 1 Dtection des ruptures de fibres dans le composite carbone/poxy. Eprouvette de 3 mmdpaisseur. Corrlation entre la perte de pente (B) de la courbe de flexion en fonction de la flche deflexion maximale atteinte (D, unit : mm) et lamplitude de R

R(A) en fonction de la flche de flexion

maximale atteinte mesure aux retours un dplacement nul. Mesures la frquence de rsonance 570MHz.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 5e+08 1e+091.5e+092e+092.5e+093e+09

Ampl(

Gamma)

F (Hz)

exp1exp2exp3exp4exp5exp6exp7exp8exp9

Fig. 2 Dtection des ruptures de fibres dans le composite carbone/poxy. Eprouvette de 6 mmdpaisseur. Amplitude de R

R(sans unit) en fonction de la frquence (F , unit : Hz) aux retours

un dplacement nul. (exp i : mesure aprs un dplacement maximum atteint de i/2 mm).

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 5e+08 1e+091.5e+092e+092.5e+093e+09

Ampl(

Gamma)

F (Hz)

exp1exp2exp3exp4exp5exp6exp7

Fig. 3 Dtection des ruptures de fibres dans le composite carbone/poxy. Eprouvette de 8 mmdpaisseur. Amplitude de R

R(sans unit) en fonction de la frquence (F , unit : Hz) aux retours

un dplacement nul. (expi : mesure aprs un dplacement maximum atteint de i/2 mm).


(a)

(b)

(c)

Fig. 4 Dtection du dlaminage dans le composite carbone/poxy. Eprouvettes de 8 mm dpaisseur.(a) Aprs rupture et apparition de la macrofissure. (b) (c) Aprs refermeture de la macrofissure etr-instrumentation pour la dtection du dlaminage.


-40-35-30-25-20-15-10-505

0 5e+08 1e+091.5e+092e+092.5e+093e+09

Ampl(

Gamma)

(

dB) F (Hz)

exp1exp2exp3exp4

Fig. 5 Dtection du dlaminage dans le composite carbone/poxy. Eprouvette de 6 mm dpaisseurrinstrumente. Amplitude du coefficient de rflexion en fonction de la frquence (F , unit : Hz). exp1 :mesure sur lprouvette n65 aprs instrumentation avant essai, exp2 : mesure sur lprouvette n65rompue aprs r-instrumentation, exp3 : mesure sur lprouvette n66 rompue aprs r-instrumentation,exp4 : mesure sur lprouvette n67 rompue aprs r-instrumentation.

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0 5e+08 1e+091.5e+092e+092.5e+093e+09

Ampl(

Gamma)

(

dB) F (Hz)

exp1exp2exp3exp4

Fig. 6 Dtection du dlaminage dans le composite carbone/poxy. Eprouvette de 8 mm dpaisseurrinstrumente. Amplitude du coefficient de rflexion en fonction de la frquence (F , unit : Hz). exp1 :mesure sur lprouvette n89 aprs instrumentation avant essai, exp2 : mesure sur lprouvette n89rompue aprs r-instrumentation, exp3 : mesure sur lprouvette n86 rompue aprs r-instrumentation,exp4 : mesure sur lprouvette n87 rompue aprs r-instrumentation.

(a) (b)

Fig. 7 Dispositif exprimental de thermographie infrarouge. (a) Cas de la transmission. (b) Cas dela rflexion.


Fig. 8 Observation par transmission en thermographie infrarouge des dfauts sur les prouvettes enverre/poxy.

Fig. 9 Cartes (couleur et noir et blanc) obtenues par thermographie infrarouge du champ de temp-rature sur les prouvettes de 3 mm dpaisseur en carbone/poxy.

(a) (b)

Fig. 10 Carte obtenue par thermographie infrarouge du champ de temprature sur les prouvettesde 6 et 8 mm dpaisseur en carbone/poxy. (a) Vue du plan des prouvettes (b) Vue de la tranche desprouvettes.

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