Development of integrated and flexible ultrasonic transducers for aerospace applications

High temperature (HT) integrated (IUTs) and flexible ultrasonic transducers (FUTs) for potential aerospace applications in the area of nondestructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) are developed. The main merits are that IUTs can be fabricated on-site and FUTs are feasible and attractive for on-site installation. The piezoelectric composite films of these HT ultrasonic transducers (HTUTs) are made by sol-gel spray fabrication. Lead-zirconate titanate composite (PZT-c), bismuth titanate composite (BIT-c), or lithium niobate composite (LiNbO3-c) films were coated onto metallic substrates with planar and curved surfaces and investigated as IUTs. Their maximum operating temperatures were demonstrated at up to 150°C, 400°C, and 800°C, respectively. PZT-c or BIT-c films were coated onto 75 µm or 38 µm thick metallic membranes and were investigated as FUTs. They can be bonded onto flat or curved surfaces for NDT and SHM. An FUT made of BIT-c film coated onto a stainless steel membrane glued onto a steel plate was performed at up to 300°C. Besides being coated onto metallic materials, sol-gel sprayed composite films were also coated onto graphite/epoxy (Gr/Ep) plates as IUTs and 50 µm thick polyimide films as FUTs for the thickness and delamination evaluation.Using acoustic mode conversion techniques, HTUTs for shear (S) wave, surface acoustic wave (SAW), and plate acoustic wave (PAW), have been developed. HT ultrasonic probes simultaneously producing one longitudinal (L) and two orthogonally polarized S waves were demonstrated in metallic and Plexiglas probes. The potential applications of these probes were discussed. Also applying mode conversion approaches, HT symmetrical, anti-symmetrical, and shear horizontal (SH) PAWs UTs for NDT and SHM were developed. The results showed that the SH PAWs may be the best candidate for NDT and SHM purposes for plate structures. Generation and detection of guided acoustic waves for NDT were demonstrated by using IUTs or FUTs with metallic wedges, mechanical gratings or interdigital transducers as well. The experiments with these three approaches were performed at up to 300°C.Furthermore, two non-contact ultrasonic measurement techniques by sol-gel sprayed composite films were presented in this thesis. One is using lasers to generate ultrasound and IUTs as receivers, and the other is using induction-based non-contact ultrasonic measurement technique with IUTs. NDT of bonded composite patches on aluminum plates was performed using laser generated ultrasound and IUT receivers. The induction-based ultrasonic measurement of a Gr/Ep composite plate rotated at 1000 rpm was demonstrated.The IUTs and FUTs developed in this thesis are able to provide signals with good signal-to-noise ratios at elevated temperature on structures and parts having a curved surface. They are light weight and miniature in size. They may be used for real-time, in situ, nondestructive local and global (large area) damage detection and assessment in aerospace NDT and SHM applications.Des capteurs intégrés (CIU) et flexibles (CFU) ultrasonores à haute température (HT) on été développés pour des applications potentielles en aérospatiale dans le domaine des évaluations non destructives (END) et la surveillance de la santé structurelle (SSS). Le principal avantage des CIUs et des CFUs est leur capacité à être fabriqués sur site. Ces capteurs ultrasoniques à haute température (CUHT) sont fabriqués à partir de la technique sol-gel qui consiste à déposer une mince couche d'un composé piézo-électrique. Ces couches peuvent être constituées de zirconate titanate de plomb (PZT-c), ou de titanate de bismuth (BIT-c), ou encore, de niobate de lithium (LiNbO3-c), déposées sur des substrats métalliques plats ou courbes et évaluées comme CFUs. Les températures maximales d'opérations de ces capteurs furent évaluées et sont respectivement de 150°C, 400°C et 800°C. Les couches de PZT-c ou de BIT-c furent déposées sur des membranes métalliques d'épaisseurs de 75 m ou de 38 m et furent évaluées comme CFUs. Ils peuvent être collés sur des surfaces plates ou courbes pour de l'END et de la SSS. Un CFU fait à partir de BIT-c déposé sur des membranes d'acier inoxydable et collé sur une plaque d'acier fut démontré jusqu'à une température de 300°C. De plus, ces composés piézo-électriques peuvent être déposés sur des plaques de graphite/époxy (Gr/Ep) et être traités comme des CIUs, ou encore, sur des films de polyimide comme CFUs pour mesurer des épaisseurs et évaluer le délaminage.En utilisant la technique de conversion de mode acoustique les ondes de cisaillement (C) des CUHTs, les ondes acoustiques de surface (OAS) et les ondes acoustiques de plans (OAP) ont été développées. Les capteurs ultrasonores à HT produisent une onde longitudinale (L) et deux ondes perpendiculaires polarisées (S). Ces deux types d'ondes furent démontrés pour des palpeurs métalliques et en « Plexiglass ». De plus, en utilisant cette technique acoustique pour des CUHTs des OAS symétrique, antisymétrique et cisaillement horizontal (CH) pour l'END et la SSS furent développés. Les résultats démontrent que les CH d'OAS sont probablement les meilleurs candidats pour l'END et la SSS de structures plates. La génération et la détection d'ondes acoustiques guidées pour l'END furent démontrées en utilisant des CUIs et des CFUs avec des coins métalliques, des grilles mécaniques ou bien des capteurs interdigitaux. Les expériences avec ces trois approches furent faites jusqu'à une température de 300°C.En plus, deux méthodes de mesures ultrasoniques sans contact pour des capteurs ultrasoniques faits à partir de la méthode sol-gel sont présentées dans cette thèse. L'une est l'utilisation de LASER pour la génération d'ultrasons et des CIU comme receveurs. L'autre est l'utilisation sans contact d'une technique de mesure ultrasonore basée sur l'induction qui utilise des CIUs comme receveurs. L'END de plaques de composites déposées sur des plaques d'aluminium fut effectué en utilisant le LASER comme générateur et des CFUs comme receveurs. La mesure ultrasonique basée sur l'induction d'une plaque composite de Gr/Ep tournant à 1000 RPM fut démontrée.Les CFU et les CIU développés dans cette thèse ont de très bons ratios signal sur bruit à température élevée sur des structures et des surfaces courbes. Ils sont légés et miniatures. Ils peuvent être utilisés en temps réels, in situ et pour la détection de dommages sur de petite ou large surfaces en END pour les domaines de l'aérospatial et pour des applications en SSS