Caractérisation thermique de milieux hétérogènes par excitation laser mobile et thermographie infrarouge

Thermal characterization of heterogeneous material by flying spot laser and infrared thermography

• Auteur / Autrice : Ludovic Gavérina
• Direction : Christophe Pradère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 08/02/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Batsale
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Pradère, Jean-Christophe Batsale, Agustin Salazar, Denis Maillet, Fabrice Rigollet, David Mourand, Nicolas Dolin, Alain Sommier, Junko Morikawa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agustin Salazar, Denis Maillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusivité thermique

Anisotropie

Contrôle non destructif par thermographie infrarouge

Lasers

Composites

Propriétés thermiques

Milieux hétérogènes (physique)

Mots clés libres

Caméra infrarouge

Excitation mobile

Laser

Caractérisation thermique

Champs de température séparables

Point source impulsionnel

Diffusivité thermique dans le plan

Tenseur de diffusivité thermique

Orientation des fibres

Angle d’orientation des axes d’anisotropie

Contrôle non destructif

Fissures

Matériaux hétérogènes

Matériaux composites

Infrared Camera

Flying spot

Laser

Thermal characterization

Separable temperature fields

Instantaneous point source of heat

In-plane thermal diffusivity

Thermal diffusivity tensor

Fiber orientation

Angular orientation of the anisotropic axis

Non-destructive testing

Cracks

Heterogeneous materials

Composite materials

Résumé

De nos jours, les matériaux composites sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique et aérospatiale car ils ont de très bonnes tenues mécaniques, mais ces matériaux comportent de fortes hétérogénéités dues aux fibres et aux liants qui les constituent. Ainsi, depuis de nombreuses années, l’équipe TIFC «Thermal Imaging Fields and Characterization » du département TREFLE de l’institut I2M développe des méthodes de mesure des propriétés thermophysiques de matériaux hétérogènes dans le plan ou dans l’épaisseur. Ces méthodes sont très variées du point de vue des méthodes inverses (transformée intégrale, double décomposition en valeurs singulières, …) ou expérimentale (Flash, diode laser, …). Le faible coût des diodes lasers et des systèmes de déplacement de miroirs galvanométriques ont permis de développer un système complet de scanner optique laser, monté sur un banc de mesure. Il permet de revisiter les différents types de sollicitations thermiques et de réaliser une infinité de combinaisons spatiotemporelles d’excitations thermiques par méthode laser. Ceci est une des principales originalités de ce travail. De nouvelles méthodes inverses basées sur la réponse thermique au point source impulsionnel et sur la séparabilité des champs de température ont été proposées. Ces méthodes ont permis d’estimer le tenseur de diffusivité thermique selon les axes principaux d’anisotropie, mais aussi hors des axes du repère de l’image, où il est possible de déterminer l’orientation des axes d’anisotropie, lorsque le transfert de chaleur s’effectue hors des axes du repère de l’image. Ces méthodes ont permis d’obtenir des résultats intéressants comptetenu de leur simplicité. De plus, elles ont permis d’obtenir des cartographies de diffusivités thermiques dans le plan car, comparées aux autres méthodes, elles permettent d’obtenir des estimations du tenseur de diffusivité thermique localement grâce à l’obtention d’une cartographie de flux thermique surfacique via le scanner optique laser.

Nowadays, composite materials are widely used in the aeronautic and aerospace industries because of their high mechanical resistance. However, they have a large heterogeneity due to the fiber and matrix they are made of. In this way, for many years, the TIC team «Thermal Imaging Fields and Characterization » from TREFLE department of I2M laboratory develops methods to measure thermal in-plane properties of heterogeneous materials such as inverses (integral transforms, double singular value decomposition…) or experimental (Flash, laser diode…) methods. The recent progress made in optical control, lasers and infrared (IR) cameras enables the development of a new scanning system (based on galvanometer-mirror) which allows the easy control of a laser hot spot spatial and temporal displacements over a plane surface. The low cost of laser diodes and optical control (galvanometric mirror) systems allows to develop a laser scanning system fixed on a test bench. We can revisit the different types of thermal excitation and realize infinite spatio-temporal combinations of thermal excitations by laser method. This is one of this thesis aims. New inverse methods based on the thermal response to an instantaneous point source heating, and temperature fields separability, have been proposed. These methods allow to estimate the thermal diffusivity tensor along the main axes of anisotropy, but also out of those axes, where it is possible to estimate the anisotropy axes orientation when the heat transfer takes place out of the image axes. These methods have produced interesting results in view of their simplicity. Moreover, they made it possible to obtain in-plane thermal diffusivities maps because, compared to the other methods, they allow to obtain, locally, thermal diffusivity tensor estimations by getting a surface heat flux map using the laser optical scanner.