Flexible ultrasonic tranducers using ferroelectric sol-gel composite films for non-destructive testing and structual health monitoring

High temperature (HT) flexible ultrasonic transducers (FUTs) for nondestructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) were developed using the sol gel spray method. Although the integrated ultrasonic transducer (IUT) is highly desirable as a NDT and SHM solution since it is a technique of directly coupling a fabricated UT to an inspected structure such an on-site fabrication solution may not be particularly attractive. FUTs acting as small and lightweight UTs may be fabricated off-site and then on-site installed. Lead-zirconate titanate composite (PZT-c) and bismuth titanate composite (BIT-c) films were sprayed onto 75 µm or 38 µm thick metallic membranes. At room temperature, these FUTs demonstrate consistently high piezoelectric performance comparable to commercially available UTs when used to perform thickness measurements over flat surfaces. Such FUTs offer the advantage that they may be conformed to curved surfaces. Additionally, these may be fabricated off-site and installed on-site. Therefore, bonding techniques such as glueing and brazing onto pipes were studied with the brazing demonstrating operability at 490ºC, thereby offering a HT, conformable, semi-permanent and on-site installed NDT and SHM solution. Techniques of room temperature selective area Corona poling and expanded area Corona poling were demonstrated, allowing for the patterning of the films and a method for integrating the Corona poling technique to either maintain or repair a network of on-site installed FUTs. The development of these techniques had started with the use of UV to replace the heating of the sol-gel composite film necessary during Corona poling. It was however found that under the same conditions, neither heat nor UV was required for the poling o f the film. Nonethless, this prompted optical studies with respect to some semiconductor and ferroelectric properties of these sol-gel films. Non-bonded FUTs are also presented as dry contact and momentary FUTs. The spray technique used with a shadow mask and other techniques was used to fabricate different devices such as ultrasonic phased-arrays and unimorph, piezoelectric vibrational energy harvesters, meant to be integrated with a battery network of NDT, SHM FUTs as an intermittent, self-sustained power source. These demonstrated an amplification in charge generation with a pre-stressed configuration, allowable by the flexible film and substrate. With such high piezoelectric performance inherent in the sol-gel film, a study into some ferroelectric properties of the film was performed, in particular by the optical approach using UV. The results demonstrated PZT-c films were absorbant between 200 and ~400 nm both before and after crystallization from HT treatment with an approximated bandgap of 2.8-3.1 eV. A photoconductivity of 0.0205 Ω-1cm-1 was measured for a 5 μm thick PZT-c film. An effect in which a lowering of the Curie temperature (Tc) was observed demonstrates that study in relation to the field of photoferroelectrics with such composite films may be of scientific interest. Lastly, the poling of the film in nanoscale using Piezo Force Microscopy (PFM) was demonstrated.Dans cette thèse, des capteurs flexibles ultrasonores (CFU) à haute température (HT) ont été développés pour des applications dans le domaine de l'évaluation non destructive (END) et celui de la surveillance de la santé structurelle (SSS). Alors que les capteurs intégrés (CIU) qui peuvent être fabriqués sur site et qui ne nécessitent pas de couplant sont des solutions attrayantes dans ces domaines, la fabrication sur site peut souvent être difficile ou infaisable selon les conditions. Par contre, les CFUs qui sont petits et légers peuvent être fabriqués à part et installés sur site. Les couches composées piézo-électriques, avec lesquelles les capteurs ultrasoniques à haute température (CUHT) sont fabriqués, sont développés à partir de la technique sol-gel. Ces couches constituées de zirconate titanate de plomb (PZT-c), ou de titanate de bismuth (BIT-c) sont déposées sur des substrats métalliques d'épaisseurs de 75 m ou de 38 m. À la température de la pièce, ces CFUs démontrent une performance piézo-électrique comparable aux capteurs commerciaux lors des mesures d'épaisseur sur des surfaces plates. L'avantage de ces CFUs est que ceux-ci peuvent se conformer à des surfaces courbes. De plus, les CFUs peuvent être fabriqués à part et installés sur-site. De plus, des moyens pour attacher ces capteurs aux structures courbes comme les tuyaux ont été essayés. Des techniques de collage et de brasage ont été démontrées, avec les CFUs opérationnels à ces hautes températures jusqu'à 490ºC, offrant une solution conformable, HT, moyennement permanente, en plus de l'avantage de l'installation sur site. Les techniques de polarisation Corona à température de la pièce qui permettent une polarisation sélective ou à grande surface ont été développées, permettant de polariser des motifs. Le développement de ces techniques avait débuté avec l'utilisation d'ondes UV pour remplacer le chauffage qui était nécessaire durant la polarisation Corona, permettant une polarisation des couches piézo-électriques sol-gel à température de la pièce. Il a cependant été découvert que sous ces conditions, ni le chauffage, ni l'UV n'étaient nécessaires, ce qui a néanmoins motivé des études optiques vis-à-vis ces couches sol-gel par rapport à leurs propriétés semi-conductrices et ferroélectriques. La méthode de sol-gel utilisée avec un masque ainsi que d'autres techniques ont aussi été utilisées pour fabriquer des capteurs de configurations différentes comme le capteur à éléments en phase ou le capteur à contact momentané. Le sol-gel a aussi été utilisé pour fabriquer un capteur d'énergie vibratoire unimorphe dans le but d'être intégré avec un système de batteries et avec le réseau de CFU pour END et SSS come source d'énergie de façon discontinue mais autonome. Ces capteurs démontrent une augmentation de charge générée lorsqu'ils sont mis sous une tension pré-courbée, une configuration possible avec la couche et le substrat flexible. Les résultats optiques ont démontré une absorbance envers les ondes UV (~200-400 nm) dans l'état sol-gel des couches ainsi qu'après cristallisation à HT, avec une structure de bande de 2.8-3.1 eV. Une photoconductivité de 0.0205 Ω-1cm-1 a été mesurée pour une couche de PZT-c d'épaisseur de 5 μm. Un effet où une baisse en température du point Curie (Tc) a été observée sous ondes UV pour les couches de PZT-c démontre que des études dans le domaine de la photoferroélectricité avec ces couches seraient d'intérêt scientifique. La polarisation d'une couche de PZT-c sur une surface 500 nm x 500 nm utilisant la microscopie à force piezo (MFP) a aussi été démontrée