Characterization of the degradation of advanced materials in aging structures using nondestructive thermographic techniques

Abstract

This doctoral thesis research advances the field of nondestructive testing (NDT) through the development of innovative infrared thermography (IRT) and near-infrared (NIR) imaging methodologies, addressing critical challenges in aerospace engineering and cultural heritage preservation. The thesis introduces a hybrid IRT approach combining Pulse Phase Thermography (PPT) and Lock-in Thermography (LT) techniques to optimize defect detection in aerospace carbon fiber-reinforced polymers (CFRPs). By leveraging PPT for rapid frequency determination and LT for high-resolution phase imaging, the method achieved sub-millimeter resolution (0.35–0.7 mm depth) for delaminations and impact damage, with a signal-to-noise ratio (SNR) exceeding 8 dB for defects as small as 3 mm. The technique demonstrated repeatability (coefficient of variation <10%) and compatibility with autonomous robotic systems, enabling real-time field inspections. For transparent and semi-transparent aircraft components, a novel Near-Infrared Double-Transmission Mode (NIR-DTM) was developed, overcoming single-sided access limitations of materials under investigation. The method was able to detect 5mm defects in glass fiber reinforced polymers (GFRPs) with 95% accuracy, providing a practical solution for laminated structures evaluation. In metallic aerospace materials, the IRT technique was employed to correlate solid particle erosion parameters (such as pressure and duration) with fatigue limit degradation in Al 7075 alloys, revealing reduction of the ultimate tensile strength (σUTS) up to68% under severe erosion. Expanding beyond aerospace, the research demonstrated IRT’s versatility in cultural heritage diagnostics and prognostics. Techniques such as Graduated Heating Thermography we reemployed to identify subsurface cracks, detachments, and hidden 16th-century inscriptions in the Monastery of Molybdoskepastos, near Konitsa, Epirus, in Northwestern Greece, with impressive non-invasive precision. Key innovations of this dissertation include noise reduction strategies (phase contrast enhancement, DFT-DLC fusion), achieving temperature resolutions lower than 2.4 mK, and methodologies adaptable to curved surfaces and harsh environments. The work under scores IRT’s potential as a cost-effective, rapid alternative to traditional NDT methods like ultrasonics. Future directions include AI-driven defect recognition, miniaturized sensor integration for drone-based inspections, and multi-modal NDT systems for renewable energy infrastructure. By bridging theoretical advancements with practical applications, this research contributes to safer aerospace systems, sustainable material longevity, and the preservation of cultural heritage.

Η διδακτορική διατριβή προάγει τον τομέα των μη καταστροφικών δοκιμών (NDT) μέσω της ανάπτυξης καινοτόμων μεθοδολογιών υπερύθρης θερμογραφίας (IRT) και απεικόνισης στο εγγύς υπέρυθρο (NIR), με στόχο την αντιμετώπιση κρίσιμων προκλήσεων στην αεροδιαστημική μηχανική και τη διατήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς. Η διατριβή εισάγει μια υβριδική προσέγγιση IRT που συνδυάζει την Παλμική Φασική Θερμογραφία (PPT) και την Θερμογραφία Συγχρονισμένης Ανίχνευσης (LT) για βελτιστοποίηση της ανίχνευσης ελαττωμάτων σε σύνθετα υλικά ανθρακονημάτων (CFRP) για αεροδιαστημικές εφαρμογές. Με την αξιοποίηση της PPT για γρήγορο προσδιορισμό συχνοτήτων και της LT για απεικόνιση υψηλής ανάλυσης, η μέθοδος έδωσε ανάλυση υπο-χιλιοστομέτρου (0,35–0,7 mm βάθος) για αποστρωματοποιήσεις και ζημιές από κρούση, μελόγο σήματος-θορύβου (SNR) άνω του 8 dB για ελαττώματα μέχρι 3 mm. Η τεχνική παρουσίασε επαναληψιμότητα (συντελεστής μεταβλητότητας <10%) και συμβατότητα με αυτόνομα ρομποτικά συστήματα, επιτρέποντας επιτόπιες επιθεωρήσεις σε πραγματικό χρόνο. Για διαφανή και ημιδιαφανή αεροδιαστημικά στοιχεία, αναπτύχθηκε μια νέα Μέθοδος Διπλής Διέλευσης στο Εγγύς Υπέρυθρο (NIR-DTM), ξεπερνώντας τους περιορισμούς μονόπλευρης πρόσβασης. Η μέθοδος ανίχνευσε ελαττώματα 5 mm σε υαλοπλαστικά (GFRP) με ακρίβεια 95%, προσφέροντας μια πρακτική λύση για στρωματοποιημένες δομές. Σε μεταλλικά αεροδιαστημικά υλικά, η IRT χρησιμοποιήθηκε για τη συσχέτιση παραμέτρων διάβρωσης μεσωματίδια (πίεση, διάρκεια) με την υποβάθμιση του ορίου κόπωσης σε κράματα Al 7075, αποκαλύπτοντας μείωση έως 68% της τελικής αντοχής (σUTS) υπό σοβαρή διάβρωση. Επεκτείνοντας τις εφαρμογές πέραν της αεροδιαστημικής, η έρευνα επέδειξε την ευελιξία της IRT στη διαγνωστική της πολιτιστικής κληρονομιάς. Τεχνικές όπως η Θερμογραφία με Προοδευτική Θέρμανση εντοπίσαν υποεπιφανειακές ρωγμές, απενοποιοποιήσεις και κρυμμένες επιγραφές του 16ου αιώνα στη Μονή Μολυβδοσκεπάστου κοντά στην Κόνιτσα στην Ήπειρο, με μη μεγάλη επεμβατική ακρίβεια. Κύριες καινοτομίες περιλαμβάνουν στρατηγικές μείωσης θορύβου (βελτίωση αντίθεσης φάσης, συγχώνευση DFT-DLC), με ανάλυση θερμοκρασίας <2,4 mK, και μεθοδολογίες προσαρμόσιμες σε καμπύλες επιφάνειες και ακραίες συνθήκες. Η εργασία υπογραμμίζει τη δυναμική της IRT ως οικονομικής, γρήγορης εναλλακτικής σε παραδοσιακές μεθόδους NDT όπως η υπερηχογραφία. Μελλοντικές κατευθύνσεις περιλαμβάνουν αναγνώριση ελαττωμάτων με τεχνητή νοημοσύνη, ενσωμάτωση μικροσκοπικών αισθητήρων για επιθεωρήσεις με drone, και πολυτροπικά συστήματα NDT για υποδομές ανανεώσιμης ενέργειας. Μέσα από τη συνύπαρξη θεωρητικών προόδων και πρακτικών εφαρμογών, αυτή η έρευνα συμβάλλει σε ασφαλέστερα αεροδιαστημικά συστήματα, μακροζωία υλικών και τη διαφύλαξη της πολιτιστικής κληρονομιάς.