Damage detection in carbon fiber reinforced polymeric composites and honeycomb sandwich panels by active thermography

Abstract

Infrared thermography is one of the effective non-destructive testing methods for damagecharacterization and identification in structural materials. Infrared thermography inducesa temperature variation on the specimen and monitors the surface temperature to detectdefects deep inside the structure. It offers advantages such as being a non-contact inspectmethod, the capability to scan large surface area and recording in real-time. Althoughvarious techniques have been developed for infrared thermography, lock-inthermography (LT) and pulse thermography (PT) are the most preferred ones due to theirrapid detection and in-service applicability. LT method uses sinusoidal heat waves indifferent frequencies, whereas PT, employs an instantaneous heat pulse to increase thespecimen's temperature and monitor its evolution to identify the defects due tomanufacturing and service conditions.This thesis focuses on both lock-in and pulse active thermography methods are used todetect different types of defects to assess the feasibility of these methods for non-iidestructive testing. To achieve this goal, delamination was first created in carbon fiberreinforced polymeric composites (CFRPC) during manufacturing, and then examined andcompared by two methods. Secondly, delamination, liquid ingress and debonding werecreated artificially during/after manufacturing in a glass/phenolic prepreg withNomexTM honeycomb core sandwich composites which is a widely used material in theaviation industry. The results were presented comparatively on the basis of advantagesand disadvantages. Moreover, the results were examined with acoustic emission (AE)method to have a better understanding of the delaminated sandwich structure.Finally, it is concluded that the most appropriate thermography method is LT method ascompared to another method, i.e. PT, used in the study in terms of depth andcharacterization of the defect. Using the results obtained in this thesis, barely visibledamage modes in CFRPC and phenolic-based sandwich structures used in the aviationindustry were detected by active thermography. In addition, the damage modes thatoccurred during the bending tests were correlated with AE. This makes a greatcontribution to the improvement of structural health monitoring of these materials in thefield of the aerospace industry

Kızılötesi termografi, yapısal malzemelerde hasar karakterizasyonu ve tanımlanması içinetkili bir tahribatsız muayene yöntemlerinden biridir. Bu yöntem, numunede bir sıcaklıkdeğişimini tetikler ve yapının derinliklerindeki hataları tespit etmek için yüzey sıcaklığınıizlenmesini sağlar. Temassız kontrol yöntemi olan kızılötesi termografi yöntemi, genişyüzey alanını tarama ve gerçek zamanlı kayıt yapma gibi avantajları da sunar. Kızılötesitermografi için çeşitli teknikler geliştirilmiş olmasına rağmen, kilitli termografi (LT)tekniği ile flaş termografi (PT) tekniği hızlı tespiti ve servis kullanımı sırasındauygulanabilirliği gibi nedenlerinden dolayı tahribatsız hasar yöntemlerinden en çok tercihedilenlerdir. LT tekniği, farklı frekanslarda sinüzoidal bir ısı dalgası kullanır. Buna karşınPT yöntemi ise, numune sıcaklığını uyarmak için anlık bir ısı darbesi sağlar ve hatalarıtanımlamak için numune sıcaklığının evrimini izler.Bu tez, hem LT hem de PT yöntemlerine odaklanmaktadır ve bu yöntemlerin tahribatsıztestler için uygulanabilirliğini değerlendirmek üzere farklı türdeki kusurları tespit etmekiçin kullanılmaktadır. Bu amaca ulaşmak için, ilk önce üretim sırasında karbon fibertakviyeli polimerlerde (CFRP) delaminasyon oluşturuldu ve daha sonra iki yöntemle ivincelendi ve karşılaştırıldı. İkincisi, havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılan birmalzeme olan NomexTM balpeteği çekirdekli sandviç kompozitlerle bir cam / fenolikprepreglerde üretim sırasında / sonrasında yapay olarak delaminasyon, sıvı girişi ve bağayrışması oluşturuldu. Sonuçlar, avantaj ve dezavantajlar temelinde karşılaştırmalı olaraksunulmuştur. Ayrıca, delamine olmuş sandviç yapıyı daha iyi anlayabilmek için sonuçlarakustik emisyon (AE) yöntemiyle incelenmiştir.Bu çalışmanın sonuçlandırılmasıyla, kusurun derinliği ve karakterizasyonu açısındançalışmada kullanılan diğer yöntemlere kıyasla en uygun yöntemin LT yöntemi olduğusöylenebilir. Bu tezde elde edilen sonuçlar sayesinde, havacılık endüstrisinde kullanılan,el ve çıplak gözle tespit edilemeyen CFRP ve fenolik bazlı sandviç yapılarda hasarmodları aktif termografi ile tespit edilmiştir. Ek olarak, bükme testleri sırasında meydanagelen hasar modları AE ile doğrulanmıştır. Bu çalışma, havacılık alanında katastrofik birarızayı önlemek için bu malzemelerin geliştirilmesine büyük katkı sağlamaktadır.