Les principaux types d’excitateurs utilis´ es en thermique

les excitateurs utilis´es pour l’E.C.N.D. sont surfaciques. Parmi les principaux, on peut citer les m´ethodes d’excitation par flash, lock-in ou encore `a l’aide d’un laser. Ces m´ethodes, pr´esent´ees par la suite, ont ´et´e d´evelopp´ees pour la caract´erisation thermique de grandeurs

thermophysiques dans la profondeur tels que la conductivit´e, la diffusivit´e, l’effusivit´e thermiques ou encore la chaleur massique, mais peuvent aussi ˆetre utilis´ees pour le contrˆole non-destructif des milieux ´etudi´es.

M´ethodes Flash

Les m´ethodes Flash consistent `a exciter la surface d’un mat´eriau par une impulsion photothermique de courte dur´ee (type Dirac). Parmi les m´ethodes Flash se distinguent deux cat´egories en fonction de si l’on mesure le champ de temp´erature sur la face excit´ee de l’´echantillon ou sur la face oppos´ee : on parle de m´ethode Flash face avant eta contrario

de m´ethode Flash face arri`ere.

a) Flash face arri`ere

Un des exemples d’E.C.N.D. bien connu dans le monde de la thermique utilisant le Flash face arri`ere est la m´ethode propos´ee en 1961 par W. J. Parkeret al.. Ils ont propos´e une technique permettant de mesurer la diffusivit´e thermique par m´ethode Flash face arri`ere [16]. L’analyse du champ de temp´erature mesur´e sur la face arri`ere du mat´eriau va permettre l’estimation de la diffusivit´e thermique du mat´eriau. Cette approche s’applique `

a l’ensemble des mat´eriaux solides et opaques `a la longueur d’onde d’excitation du flash. La figure2.3 illustre le principe de cette m´ethode.

Figure 2.3 – Sch´ema du principe de la m´ethode Flash de Parker (figure issue de [17]).

Les hypoth`eses consid´er´ees dans la m´ethode de Parker sont que le flux d’excitation est uniforme sur l’ensemble de la surface et de courte dur´ee (excitation de type Dirac). Ensuite, le mat´eriau est consid´er´e adiabatique, autrement dit les pertes convectives sont consid´er´ees n´egligeables. Sous ces conditions, le maximum de sensibilit´e `a la diffusivit´e thermique est atteint au temps de demi-mont´ee t_1/2 du thermogramme, comme illustr´e par la figure2.4.

La m´ethode propos´ee par Parker consiste `a d´eterminer la diffusivit´e thermique du mat´eriau `a l’aide de la formule (2.1) :

a= 0.139 ^e

2

t₁/2

(2.1)

o`u a est la diffusivit´e du mat´eriau (m2.s⁻1) et e son ´epaisseur (m).

Figure 2.4 – Thermogramme en face arri`ere, courbe de sensibilit´e r´eduite et temps de demi-mont´ee [18].

La m´ethode de Parker est l’une des plus anciennes m´ethodes de caract´erisation de la diffusivit´e thermique sans contact par Flash face arri`ere. Elle est toujours largement uti-lis´ee en raison de sa simplicit´e de mise en œuvre et sa grande robustesse. Cependant, les hypoth`eses qu’elle n´ecessite ne sont pas toujours r´ealisables : en particulier les conditions aux limites adiabatiques sont rarement v´erifi´ees. D’autres m´ethodes ont ´et´e propos´ees par la suite pour palier `a ces difficult´es. La m´ethode des temps partiels avec pertes convectives propos´ee par Degiovanni [19] ou encore l’approche des d´eveloppements asymptotiques pro-pos´ee par Mourand [20] en sont des exemples.

b) Flash face avant

Les m´ethodes d’excitation par Flash face avant suivent le mˆeme principe que celles par face arri`ere. Elles sont utilis´ees quand, par exemple, la face arri`ere du mat´eriau n’est pas accessible. Dans ce cas, l’excitation et les mesures se font sur la mˆeme surface de

l’´echantillon. Sous les mˆemes conditions (excitation de type Dirac, uniformit´e spatiale de l’excitation et conditions aux limites adiabatiques), l’´evolution de champ de temp´erature en fonction du temps suit, en ´echelle logarithmique, une d´ecroissance lin´eaire aux temps courts et atteint une asymptote horizontale aux temps longs, comme illustr´e par la figure

2.5.

Figure2.5 – R´eponse au flash face avant en ´echelle logarithmique et d´efinition d’un temps caract´eristique `a l’intersection des deux asymptotes [18].

La caract´erisation du coefficient de diffusion par flash avant consiste `a se servir du temps caract´eristiquet_c obtenu par le croisement des deux comportements asymptotiques [21]. Il est d´efini par l’´equation (2.2) :

tc= ^e

2

a^{. (2.2)}

Cette m´ethode est tr`es facile `a mettre en œuvre. Cependant, tout comme la m´ethode de Parker, elle comporte certains inconv´enients. En effet, elle ne prend pas en compte les pertes thermiques par convection, et surtout, l’estimation des asymptotes n’est pas tou-jours facile `a d´eterminer en raison du bruit de mesure.

Les excitations par Flash peuvent aussi ˆetre utilis´ees pour d´etecter des d´efauts dans le mat´eriau. On peut par exemple citer les travaux de D. Balageas [22], de J.M. Roche [23], ou encore de X. Maldague [24] qui ont d´evelopp´e des m´ethodes pour d´etecter et imager des d´efauts en profondeur `a l’aide d’une excitation Flash face avant.

M´ethode ”Lock-In”

La m´ethode Lock-In est une technique qui a ´et´e propos´ee pour la premi`ere fois par G. Busse en 1979 [25] en opto-acoustique pour la d´etection de d´efauts `a diff´erentes profondeurs dans de l’aluminium. Comme illustr´e sur la figure2.6, la face avant du mat´eriau est excit´ee thermiquement `a l’aide de deux lampes halog`enes. Chaque lampe est reli´ee `a un g´en´erateur basse fr´equence qui permet de cr´eer une modulation sinuso¨ıdale p´eriodique. L’excitation thermique r´esultante prend donc la forme d’un sinus centr´e sur une composante moyenne. La cam´era infrarouge qui mesure l’´evolution du champ de temp´erature r´esultant sur la face avant du mat´eriau est elle aussi synchronis´ee avec le g´en´erateur.

Figure 2.6 – Principe d’une mesure thermographique de type ”Lock-in” [26].

L’un des avantages de la m´ethode Lock-in est qu’elle est tr`es peu sensible au bruit de mesure. En effet, de par le caract`ere p´eriodique de l’excitation, les mesures effectu´ees peuvent ˆetre moyenn´ees sur un grand nombre de p´eriodes.

En revanche, cette m´ethode peut ˆetre longue `a mettre en œuvre. Le lock-in permet en effet de caract´eriser des d´efauts dans la profondeur. Or, la longueur de p´en´etration thermique d´epend directement de la fr´equence de modulation de l’excitation thermique [21]. En effet, la profondeur µ<sub>d</sub> (m) du d´efaut peut ˆetre calcul´ee `a l’aide de la formule suivante :

µd=c

s

a

πf ^(2.3)

o`u c est une constante, a (m2.s⁻1) la diffusivit´e thermique du mat´eriau et f (Hz) la fr´equence d’excitation.

La figure 2.7 montre les r´esultats obtenus par R. Montanini sur un ´echantillon de plexiglas contenant des d´efauts (trous) `a diff´erentes profondeurs.

Figure 2.7 – ´Echantillon de plexiglas contenant plusieurs trous (num´erot´es de 1 `a 16) situ´es `a diff´erentes profondeurs(a). Cartographie de chaque trou (b). R´esultats suite aux mesures obtenues avec la m´ethode Lock-in Thermography (LT)(c) [26].

Comme on peut l’observer, avec une fr´equence non adapt´ee (f = 2.25 Hz) les d´efauts ne sont pas visibles. Pour une fr´equence ´elev´ee, ce sont les d´efauts les plus proches de la surface qui seront d´etect´es, tandis que les fr´equences faibles permettront de sonder la profondeur du mat´eriau, ce qui est coh´erent avec l’´equation (2.3).

Ainsi, pour pouvoir d´etecter des d´efauts `a toutes les profondeurs, il faut effectuer plusieurs fois l’exp´erience en balayant la fr´equence d’excitation, ce qui peut s’av´erer long si le mat´eriau est ´epais.

Excitation par laser

Les lasers sont aussi r´eguli`erement utilis´es pour exciter thermiquement les surfaces des mat´eriaux. Leur avantage est que l’on peut les focaliser de mani`ere `a exciter une petite partie de la surface, contrairement aux lampes plus classiques qui excitent le mat´eriau sur un large domaine spatial. De la mˆeme mani`ere que pr´ec´edemment, plusieurs types d’excitation peuvent ˆetre employ´ees, comme l’excitation impulsionnelle ou modul´ee. Il est aussi possible de d´eplacer le laser pour balayer la surface d’´etude.

a) Flying Spot

En 1998, J.C. Krapez propose en effet de d´eplacer la source laser `a vitesse constante pour d´etecter les fissures transverses se trouvant sur une pi`ece m´etallique [27, 28]. Le dispositif exp´erimental propos´e, illustr´e par la figure 2.8, consiste `a d´eplacer le faisceau laser `a la surface de l’´echantillon par le biais d’un syst`eme de miroirs de balayage. Une cam´era infrarouge permet ensuite de mesurer le champ de temp´erature r´esultant. Cette m´ethode est aussi appel´ee Flying Spot.

Figure 2.8 – Sch´ema du principe du Flying Spot [27].

Lors du passage du laser sur une fissure, un gradient de temp´erature apparaˆıt. La fissure peut en effet se mod´eliser comme une r´esistance thermique. L’un des inconv´enients de cette m´ethode est qu’une irr´egularit´e de surface, comme une rayure par exemple, va ˆetre d´etect´ee comme une fissure car leurs signatures thermiques sont similaires. La solution propos´ee par Krapez est alors de balayer la surface en effectuant un aller-retour. Le gradient au niveau de la fissure va augmenter en raison de l’accumulation de chaleur, ce qui ne sera pas le cas pour la rayure. De cette mani`ere, en effectuant la soustraction des mesures obtenues

entre l’aller et le retour, la signature thermique de la rayure sera supprim´ee, mais pas celle de la fissure. Cette technique est appel´ee Flying Spot Normalis´e. La figure 2.9 illustre les r´esultats obtenus entre la m´ethode Flying Spot et la m´ethode Flying Spot Normalis´e pour la d´etection d’une fissure accol´ee `a une rayure.

Figure 2.9 – Signature thermique d’une fissure verticale `a la surface de mesure (a). Signature thermique d’une fissure et d’une rayure(b). Signature thermique d’une fissure et d’une rayure apr`es traitement de Flying Spot normalis´e (c)[29].

L’inconv´enient de cette m´ethode est qu’elle est uniquement qualitative : les fissures sont d´etect´ees, mais pas caract´eris´ees. De plus, la mise en œuvre est assez d´elicate dans le sens o`u il est difficile de synchroniser avec pr´ecision le laser et la cam´era infrarouge.

b) M´ethode de la gaussienne

Le laser peut aussi ˆetre utilis´e de mani`ere puls´ee. Au d´ebut des ann´ees 2000, P. Bisonet al.[30,31] propose une m´ethode utilisant une excitation impulsionnelle laser pour mesurer des diffusivit´es thermiques dans le plan de couches minces. Le dispositif exp´erimental d´evelopp´e par Bison permet de cr´eer une source thermique surfacique de forme gaussienne [31].

Figure 2.10 – Sch´ema d’une excitation laser impulsionnelle [32].

L’´etude du rayon de la gaussienne permet de d´eterminer les diffusivit´es thermiques dans le plan.

Concernant la caract´erisation quantitative des fissures, en 2016, N.W. Peach-May et al. d´eveloppent une technique qui consiste `a utiliser une excitation puls´ee permettant de calculer la r´esistance thermique des fissures. Le principe de la m´ethode consiste `a envoyer excitation thermique de type Dirac par un faisceau de forme gaussienne `a proximit´e du plan vertical contenant la fissure, comme illustr´e par la figure 2.11 en(a).

Figure 2.11 – Sch´ema du principe permettant de quantifier une fissure `a l’aide d’un faisceau laser de rayonaexcitant la surface du mat´eriau `a une distanced de la fissure(a). Illustration du champ thermique r´esultant(b). Profil selon l’axey de la temp´erature pour des tailles de fissures allant de 1µm `a 25µm(c) [33].

La connaissance de la formule analytique de la r´eponse thermique r´esultante permet de caract´eriser l’ouverture de la fissure. En effet, lorsque le laser se rapproche de la fis-sure, son profil gaussien pr´esente une discontinuit´e qui est directement li´ee `a la r´esistance thermique de celle-ci. Une r´egression du profil gaussien obtenu `a partir de la formule ana-lytique connue et de la mesure effectu´ee permet en effet de l’estimer. La r´eponse thermique obtenue ainsi que les profils de temp´erature selon l’axe y r´esultants sont illustr´es en (b)

et(c) sur la figure2.11.

Les modes d’excitation utilis´es pour l’E.C.N.D. en thermique sont nombreux et sont pertinents pour mesurer des donn´ees intrins`eques du mat´eriau tels que les coefficients de diffusion, ou encore pour d´etecter des d´efauts sur ou proche de la surface. En revanche, l’inconv´enient majeur est que ces techniques excitent uniquement la surface des mat´eriaux. La caract´erisation de donn´ees volumiques ou de d´efauts qui se trouvent en profondeur (fis-sures, d´elaminages...) est donc difficile `a effectuer.

Plusieurs syst`emes, faisant intervenir divers ph´enom`enes physiques, permettent de cr´eer des sources thermiques volumiques au sein d’un mat´eriau. Les paragraphes suivants, et en particulier la partie §2.2, permettent d’avoir un aper¸cu de ces techniques.