Anorganische Salzhydrate sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Schmelzwärmen als Phase-Change-Materials(PCM) für Latentwärmespeicher favorisiert. Die Unterkühlung der Salzhydratschmelzen stellt oftmals ein besonderes Problem bei technischen Anwendungen dar. Erstmalig wurden kombinatorische Methoden zur strukturell unspezifischen Suche nach Keimbildnern genutzt. Das hier entwickelte Verfahren erlaubt es, thermische Kristallisationseffekte zwischen 10°C und 170°C zu untersuchen. Bis zu 2025 Materialkombinationen können sowohl parallel synthetisiert als auch analysiert werden. Die Synthese der Keimbildner erfolgte durch Verhältnisvariation gelöster Salze mittels automatisierter Dosierung auf Trägerplatten und anschließendem Tempern. Die aktiven Kombinationen wurden durch zeitaufgelöste Thermographie identifiziert. Die Schlüssigkeit des gesamten Verfahrens konnte durch das erfolgreiche Screening zweier PCM mit unterschiedlichen Schalttemperaturen (NaCH3COO*3H2O; Fp=58°C und LiNO3*3H2O; Fp=29°C) nachgewiesen werden.

L'évaluation et le contrôle non destructifs (E.C.N.D.) des matériaux et des structures sont une problématique industrielle très importante dans les domaines du transport, de l'aéronautique et du spatial, et dans le milieu médical. La thermographie infrarouge active est une technique d'E.C.N.D qui consiste à apporter une excitation extérieure afin d'entraîner une élévation de température dans le matériau, puis à évaluer le champ de température résultant à la surface. Cependant, les excitateurs thermiques utilisés (lampes flash, halogènes, lasers) agissent uniquement sur la surface du matériau. Plusieurs systèmes de conversion d'énergie peuvent en revanche mener à l'apparition de sources volumiques : on peut citer en particulier les phénomènes de thermo-acoustique, de thermo-induction, de thermomécanique ou de thermochimie. Par exemple, une excitation par ondes ultrasonores peut entraîner des sources thermiques volumiques si le matériau est viscoélastique ou s'il y a présence de défaut. La reconstruction de ces sources est donc la première étape permettant de remonter aux paramètres responsables de l'échauffement. Caractériser une source thermique consiste à reconstruire sa géométrie et la puissance qu'elle génère. Cependant, l'identification de sources thermiques volumiques par la mesure des champs de température de surface est un problème mathématiquement mal posé. Le caractère diffusif de la température en est le principal responsable. Dans ce travail, la reconstruction 3D des sources volumiques à partir du champ de température résultant à la surface, mesuré par InfraRouge, est étudié. Tout d'abord, une analyse du problème physique permet de spécifier les limites de la reconstruction. En particulier, un critère sur la résolution spatiale atteignable est défini et une limitation de reconstruction pour les sources en profondeur est mise en lumière. Ensuite, une méthode de reconstruction par approche probabiliste est proposée et comparée aux méthodes d'inversions existantes. Le temps d'exécution et la sensibilité au bruit de mesure sont étudiés pour chacune de ces méthodes. Des applications numériques et expérimentales seront enfin présentées pour illustrer les résultats. / Non Destructive Testing (N.D.T.) of materials and structures is a very important industrial issue in the fields of transport, aeronautics and space and in the medical domain. Active infrared thermography is a N.D.T. method that consists in providing an external excitation to cause an elevation of temperature field in the material and then to evaluate the resulting temperature field at the surface. However, thermal exciters used (flash lamps, halogen, lasers) act only on the surface of the sample. Several energy conversion systems can on the other hand lead to the generation of volumetric sources: the phenomena of thermo-acoustic, thermo-induction, thermomechanic or thermochemistry can be cited. For example, ultrasonic waves can generate volumetric heat sources if the material is viscoelastic or if there is a defect. The reconstruction of these sources is the first step for the quantification of parameters responsible of the heating. Characterizing a heat source means reconstructing its geometry and the power it generates. For example, a defect in a structure and / or the viscoelasticity of a material can be detected and quantified by this technique if it acts directly on temperature field. However, identification of volumetric heat sources from surface temperature fields is a mathematical ill-posed problem. The diffusive nature of the temperature is the main cause. In this work, the 3D reconstruction of the volumetric heat sources from the resulting surface temperature field, measured by InfraRed, is studied. First, an analysis of the physical problem enables to specify the limits of the reconstruction. In particular, a criterion on achievable spatial resolution is defined and a reconstruction limitation for in-depth sources is highlighted. Then, a probabilistic approach for the reconstruction is proposed and compared to existing inverse methods. The computation time and noise sensitivity are studied for each of these methods. Numerical and experimental applications will thus be presented to illustrate the results.

Ce document présente; l'intégration de la thermographie modulée au laboratoire de tests non destructifs. Tous les détails de l'équipement choisi, des réglages des logiciels utilisés et développés, et le choix d'un système modulaire; sont inclus. Les expériences portent sur des échantillons à base de matériaux composites. La technique est donc validée; par les résultats. Les résultats sont ensuite comparés avec la thermographie puisée et la simulation par la méthode; des éléments finis. / This document shows the intergration of the Lock-in thermography method for the non-destructif-testing laboratory. All the details of the equipment, software; settings (used and developped) and the choice of the modular system are included. The experiences arc; done on composite; material samples. The method is also validated by results. Those results are then compared with pulsed thermography and the finite element simulation method.

L'augmentation rapide du niveau de concentration de dioxide de carbone dans l'air ambiant à la suite de diverses activités humaines est l'un des principaux défis environnementaux du XXIe siècle. Par conséquent, la résolution des problèmes d'émissions de carbone est l'une des principales tâches de la société moderne. Diverses technologies ont été développées et testées au cours des dernières décennies pour atténuer ce problème. La carbonatation minérale est reconnue comme l'une des technologies les plus sûres permettant de capturer et de stocker en permanence du carbone sous forme de carbonates thermiquement stables. La minéralisation passive du carbone par les résidus miniers en tant que processus naturel a lieu dans des conditions environnementales, partout où l'accès de l'air et de l'eau au tas de résidus miniers est possible. Le présent travail explore l'utilisation de la thermographie infrarouge comme méthode non destructive de surveillance du comportement exothermique au cours de la capture passive du carbone par la brucite. La configuration de carbonatation à deux cellules, consolidée avec une caméra infrarouge, a été conçue pour surveiller simultanément les variations thermiques de la surface du matériel dues à l'absorption de CO2 ainsi que le flux de chaleur échangé entre la brucite et son environnement. Les résultats montrent une influence significative de la température ambiante sur le système qui a contribué à l'échange thermique de la couche réactive avec l'environnement. La comparaison des profils de température entre les demi-cellules de référence et réactives montre des différences dans les variations thermiques par rapport à la température adiabatique à cause de l'influence de la température ambiante. L'élévation de température adiabatique par rapport aux profils de température de surface démontre une différence substantielle dans le taux de génération de chaleur de carbonatation en raison de l'échange de flux de chaleur avec l'environnement pendant le processus. / Rapid increment of the level of carbon concentration in ambient air in consequence of various human activities is one of the major environmental challenges of 21st century. Therefore, solving carbon emissions issues is one of the main tasks of the modern society. Variety of technologies have been developed and tested over the past decades to alleviate this concern. Mineral carbonation is recognized as one of the safest technologies that allows to capture and permanently store carbon in the form of thermally stable carbonates. Passive mineral carbonation by mining residues as a naturally occurring process takes place under environmental conditions anywhere where the air and water access to mining residue heap can be obtained. The present work explores the use of infrared thermography as a non-destructive method of monitoring exothermal behavior of passive carbon capture by brucite. Dual-cell carbonation setup consolidated with an infrared camera was designed in order to provide simultaneous monitoring of thermal variations on the surface of the material due to CO2 uptake as well as exchange of heat fluxes between brucite and its surroundings. The results show a significant influence of room temperature on the system that contributed to heat exchange of the reactive layer with the surrounding. The temperature profiles comparison between reference and reactive half-cells demonstrates striking differences in thermal variations than the adiabatic temperature due to the room temperature influence. Adiabatic temperature rise in comparison with surface temperature profiles demonstrates a substantial difference in carbonation heat generation rate due to heat fluxes exchange with surrounding during the process.

La méthode des éléments finis est un outil mathématique puissant qui permet la résolution des équations différentielles décrivant un processus physique donné. Elle est particulièrement adaptée à la résolution de problèmes non linéaires ayant des géométries complexes. Une de ces applications est la modélisation du transfert de chaleur dans un objet soumis à une inspection par la technique de thermographie infrarouge pulsée (PT). Les résultats de ce travail ont prouvé que les solutions obtenues numériquement correspondent aux résultats expérimentaux, ceci malgré les contraintes liées à la puissance de l'ordinateur utilisé (capacité mémoire, disque, etc.) afin de résoudre le problème d'une manière adéquate. Par conséquent, le modèle numérique peut être considéré comme un outil complémentaire à la caractérisation des défauts par la PT. Dans le cas d'une procédure d'inspection où les différenst types de défauts présents dans le spécimen sont connus a priori, la modélisation numérique peut être utilisée efficacement afin d'améliorer la caractérisation de ces défauts, grâce à la combinaison modélisation MEF / expérience. En se basant sur l'analyse qualitative de l'évolution temporelle des profils de température obtenus en pratique, on a démotnré qu'il est possible de déterminer le type de défaut par une simple comparaison de la forme expérimentale de l'évolution du contraste qui est dépendante du type de défaut, avec les résultats obtenus grâce au modèle numérique. Une fois que le défaut est connu, en cas de structures complexes de type "sandwich", sa profondeur peut être réduite automatiquement puisque la plupart de ces défauts typiques apparaît sur les interfaces des couches de l'échantillon. Afin de procéder à la détermination de la taille du défaut, tâche qui est souvent très difficile en cas de structures multicouches à cause du contraste flou observé sur le défaut, provoqué par les effets latéraux de diffusion de chaleur, les expressions de régression obtenues à partir des résultats de modélisation peuvent être utilisées. Dans ce contexte, comme il a été démontré, la valeur du contraste thermique maximal obtenue expérimentalement n'est pas un paramètre fiable qui peut être utilisée avec confiance comme indicateur quantitatif des caractéristiques du défaut (dans ce cas-ci, sa taille latérale). Ceci est principalement dû au niveau élevé de l'incertitude sur le contraste maximal de température [delta]Tmax déterminé à partir de l'expérience, ainsi qu'à la force dépendance de [delta]Tmax à l'égard de la puissance de la source de chlauer appliquée. Ce problème devient signficatif dans le contexte de chauffage non-uniforme inévitablement présent dans les expériences de thermographie pulsée. En ce qui concerne l'incertitude des mesures, dans les cas où le signal thermique du défaut est faible, l'incertitude peut devenir égale ou même plus grande que la [delta]Tmax obtenu. Cependant, dans la plupart des cas, elle représente un pourcentage significatif du [delta]Tmax déterminé expérimentalement. D'autre part, les effets de l'excitation non-uniforme se sont avérés partiellement éliminés quand la procédure proposée pour la sélection de la région saine adéquate est utilisée. La procédure est basée sur l'utilisation de l'Image de Distribution de Source (IDS) reconstruite à partir de plusieurs thermogrammes initiaux acquis juste après que l'excitation soit appliquée à l'échantillon (alors que les effets possibles des défauts ne sont pas encore visibles sur la surface du spécimen). Une fois appliquée, la méthodologie s'assure que les régions défectueuses et saines aient reçu une quantité égale d'énergie (chaleur) durant l'excitation (jusqu'à une différence tolérable donnée). Cependant, aucune des corrections et mesures de précaution ne peuvent éliminer la nature fortement incertaine des valeurs expérimentales de [delta]Tmax. D'un autre côté, la période T max d'apparition de [delta]Tmax semble être beaucoup moins affectée par dse incertitudes de mesure et est relativement sensible aux caractéristiques du défaut (telles que sa taille et sa profondeur). On a démontré que même s'il existe des différences dans les valeurs absolues, les périodes de contraste maximal de température obtenues expérimentalement et numériquement peuvent être reliées par une simple relation algébrique, qui est réduite à une différence à une constante donnée. Une fois que ce rapport est établi, la régression obtenue par la modélisation peut être utilisée efficacement afin de fournir les informations désirées sur les caractéristiques inconnues du défaut. D'ailleurs, dans plusieurs cas où seulement un nombre limité de défauts est disponible dans l'échantillon calibré, pour que le procédé d'inversion soit établi, ou quand les données de mesure sont trop bruitées pour permettre la formulation d'une méthodologie d'inversion fiable, la modélisation numérique permet la déterminaison plus simple et plus directe des relations de régression pour de futures caractérisations de défauts. Par conséquent, le nombre illimité de simulations peu coûteuses pouvant être effectuées permet la création d'ensemble global et complet de relations entre les caractéristiques de défauts et les variables significatives de la PT, telle que la période d'apparition du contraste maximal de température.

La thermographie stimulée par ultrasons (TU) est une méthode de contrôle non destructif qui a été inventée en 1979 mais qui a s'est répandue à la fin des années 90. L'idée de cette méthode est d'exciter le matériau à inspecter avec des ondes mécaniques à des fréquences allant de 20kHz à 40kHz et d'observer ensuite leur température de surface avec une caméra infrarouge. TU est une méthode de thermographie active; les autres méthodes les plus connues sont la thermographie optique et celle stimulée par courants de Foucault. Son habilité à révéler des défauts dans des cas où les autres techniques échouent, fait d'elle une méthode pertinente ou complémentaire. L'inconvénient de la TU est que beaucoup de conditions expérimentales doivent être respectées pour obtenir des résultats adéquats incluant quelques paramètres qui doivent être bien choisis. Le but de ce projet est d'explorer les capacités, les avantages et les limites de la TU. Pour comparer la performance de la TU à celle des ultrasons conventionnels, des tests ultrasons de type C-Scan ont été réalisés pour quelques échantillons. Quatre matériaux différents avec quatre types de défauts ont été investigués afin de mieux définir les conditions optimales pour améliorer la détection des défauts. Les résultats bruts obtenus étaient traités dans chaque cas afin de mieux visualiser les contrastes thermiques causés par les discontinuités cachées.

La thermographie par courants de Foucault (ECT) est une méthode de thermographie active. L’excitation inductive génère des courants de Foucault dans les spécimens conducteurs. En présence de défauts, la circulation des courants est affectée par ces discontinuités produisant un changement dans la distribution de la température autour des défauts. Ces changements sont observés avec une caméra infrarouge. Dans ce travail, on présente une application robotique de la thermographie par courants de Foucault. Une interface robotique a été développée et tous les capteurs utilisés ont été intégrés à la plateforme. Des simulations ont été achevées avec COMSOL Multiphysics en variant différents paramètres. Des expériences ont été menées sur plusieurs spécimens (de différents matériaux) avec des défauts de différents types et tailles. La linescan thermographie est principalement étudiée et d’autres modes d’inspections ont été explorés. Les images résultantes sont reconstruites avec un algorithme dédié. Finalement, les résultats de la méthode sont comparés à ceux de la thermographie optique (par halogène) pour montrer les capacités de la méthode. / Eddy current thermography (ECT) is an active thermography method. The inductive excitation generates Eddy currents in electrically-conductive specimen. In a presence of defects, the eddy current flow is affected by these discontinuities leading to changes in the temperature distribution in the specimen around the defects. These changes are observed by an infrared camera. In this work, we present a robotic application of the method. A robotic interface is developed and all the sensors needed are integrated to the platform. Simulations are performed using COMSOL Multiphysics by varying different parameters. Experiments are realised on different specimens (made of different materials) with defects of different sizes. The linescan Eddy current thermography is studied and other modes are explored. The resulting images are reconstructed with a dedicated algorithm. Finally, the method’s results are compared to optical thermography to show the capability of the method.

Exposé au froid, l'oiseau peut perdre d'importantes quantités de chaleur par les pieds, particulièrement lors des vasodilatations au froid (VDAF) nécessaires pour éviter la congestion vasculaire et le gel tissulaire. La difficulté de mesurer les pertes de chaleur par les pieds aviens avec les techniques disponibles nous a incités à développer une méthode par calorimétrie infrarouge calibrée à partir d'un pied palmé artificiel (PPA) chauffé électriquement. La morphologie du PPA était basée sur celle des pieds de la Grande Oie des neiges (Chen caerulescens atlantica).... L'étude a également permis de mettre en évidence l'effet isolant procuré par les couches limites du PPA et du substrat. Nous en concluons que, malgré une calibration exigeante, la calorimétrie thermographique s' avère une méthode prometteuse pour quantifier, avec un minimum de contraintes expérimentales, les pertes de chaleur en conditions naturelles chez les oiseaux.

L’utilisation de Matériaux Composites est de plus en plus courante dans plusieurs applications, notamment dans les structures aéronautiques où des pièces de forme complexe sont fort demandées. Dans ces matériaux, la disposition ou l’orientation des fibres l’une par rapport à l’autre, la concentration de celles-ci, et leur distribution sont des facteurs qui ont une influence notable sur la résistance et d’autres propriétés des composites renforcés de fibres. Ainsi, on a besoin de développer des techniques d’essai pour évaluer la teneur en fibres. Des méthodes destructrices peuvent être utilisées pour évaluer les fibres dans un échantillon composite par exemple, en évaluant une section de coupe du matériau après polissage de la surface par microscopie. Cependant, l’approche destructrice n’est pas toujours une option puisque l’échantillon est endommagé après l’inspection et probablement impropre à l’utilisation. Ainsi, les techniques de Contrôle non-destructif (CND) doivent être utilisées dans certains cas pour évaluer le contenu de la matière fibreuse. Dans cette thèse, la thermographie infrarouge, une technique de CND bien connue, est utilisé afin d’évaluer l’orientation des fibres de matériaux composites, à la surface et sous la surface de pièces plates ainsi que de pièces de forme complexes. Plus précisément, l’ellipsométrie thermique utilisant une source de point laser de chauffage (statique) et une source de chauffage en ligne produit par balayage en vol du point laser (dynamique) sont employés. L’évaluation de l’orientation de la fibre sur des pièces de forme complexe est accomplie avec succès en raison de la fusion d’un modèle en trois dimensions de la surface de l’échantillon avec les données infrarouge obtenues par l’inspection d’ellipsométrie thermique. Le matériau qui va être inspecté dans ce projet est le Carbone/Polyether-Ether-Ketone (PEEK) réalisé par disposition de flocons de fibres appelée Randomly-Oriented Unidirectional Strand (ROS). / The use of Composite Materials (CM) is growing more and more every day in several applications, especially in aeronautic structures where complex shaped parts are highly demanded. The arrangement or orientation of the fibers relative to one another, the fiber concentration, and the distribution all have a significant influence on the strength and other properties of fiber reinforced composites. Thus, one needs to develop testing techniques to assess fiber content. Destructive methods can be employed to evaluate the fiber on a composite, e.g. cutting a section of the material, polishing the area and evaluating it by microscopy. However, the destructive approach is not always an option since the sample will be ‘damaged’ after the inspection and probably unfit for use. Therefore, Non-Destructive Testing and Evaluation (NDT& E) techniques must be employed in some cases to assess the material’s fiber content. In this thesis, InfraRed Thermography (IRT), a well-known NDT& E technique, is used in order to assess fiber orientation of composite materials on the surface and beneath the surface of booth flat and complex shaped parts. More specifically, Thermal Ellipsometry (TE) using a laser spot heating source (static) and a line heating source produced by a flying laser spot inspection (dynamic) are employed. Fiber orientation assessment on complex shaped parts is successfully accomplished due to the merge of a Three-Dimensional (3D) model of the part’s surface with the InfraRed (IR) data obtained by the TE inspection. The specimens that are going to be inspected in this project are Carbon/Polyether-Ether-Ketone (PEEK) plates reinforced by Randomly-Oriented Unidirectional Strand (ROS) of unidirectional slit tape. / O uso de Materiais Compósitos tem crescido mais e mais a cada dia em várias aplicações, especialmente em estruturas aeronáuticas onde peças em forma de complexos sõ extremamente procurados. O arranjo ou orientação das fibras com relação umas às outras, a concentração de fibra, e sua distribuição tem todos um grande impacto na força, rigidez e outras propriedades de materiais compósitos reforçados com fibras. Assim, se faz necessário o desenvolvimento de técnicas capazes de avaliar o conteúdo fibroso destes materiais. Métodos destrutivos podem ser empregados para avaliar as fibras em um material compósito, por exemplo cortando-se uma secção do material, polindo a área e avaliado a região com um microscópio. Entretanto, a abordagem destrutiva nõ é sempre uma opção uma vez que após o ensaio a peça ficará danificada e provavelmente imprópria para uso. Deste modo, ensaios não-destrutivos devem ser empregados em certos casos para avaliar o conteúdo fibroso do material. Nesta tese, termografia infravermelha, uma conhecida técnica de ensaios não-destrutivo, é usada para acessar a orientação das fibras de materiais compósitos na superfície e sub-superfície de amostras planas bem como de amostras com formas complexas. Mais especificamente, elipsometria térmica usando fonte de aquecimento ponto de laser (estático) e uma fonte de aquecimento em linha produzida por uma inspeção de ponto voador (dinâmico) são empregadas. Avaliação de orientação de fibra em amostras de formas complexas é realizada com sucesso graças a fusão de um modelo tridimensional da superfície da amostra e os dados infravermelhos obtidos com o ensaio de elipsometria térmica. As amostras inspecionadas durante este projeto são feitas Carbono/Polyether-Ether-Ketone (PEEK) reforçadas com Randomly-Oriented Unidirectional Strand (ROS).

Le coût croissant de l’énergie a fait de l’économie d’énergie une nécessité vitale dans le monde actuel. Un des exemples consiste à “maintenir la chaîne du froid”, c’est-à-dire le transport correct des aliments périssables dans les véhicules réfrigérés, en particulier pour les produits laitiers, la viande et les aliments congelés. Tout en conservant une conservation appropriée des denrées alimentaires, l’ATP (Agreement on Transport of Perishable Foodstuffs) est l’un des accords concernant les essais d’isolation thermique qui déterminent l’adéquation du transport. Le test standard ATP est une procédure pour mesurer l’état isolant des équipements avec une approche globale. Néanmoins, certains défauts locaux dans la structure de l’équipement ne peuvent pas être visualisés dans cette procédure. Dans ce contexte, la technique de thermographie pourrait être particulièrement utile à ces problèmes. Deux exemples de cette application sont présentés dans cette thèse, l’un d’eux se concentre sur la cartographie du flux de chaleur sur la surface externe d’un rouleau-conteneur isolé par la technique de thermographie infrarouge. La seconde tente d’établir une vue panoramique du flux de chaleur sur la surface interne d’un véhicule isolé. Encouragé par les résultats favorables précédents, une exploration de l’approche à froid dans la thermographie infrarouge pour les Tests Non-Destructifs et l’Évaluation est introduite et réalisée dans ce qui suit. Une approche se concentre sur la détection des défauts isolés et des ponts thermiques dans les panneaux de caisses de camions isolés par chauffage à lampe et refroidissement par air, deux moyens d’excitation opposés. L’autre examine un refroidissement à l’azote liquide appliqué à un échantillon d’acier avec des trous à fond plat de différentes profondeurs et tailles. Différentes méthodes de traitement des données et de modélisation et de simulation sont effectuées dans des chapitres connexes. / The increasing cost of energy has made energy saving a vital necessity in the current world. One of the examples involves, “Maintaining the cold chain”, which is the correct transport of perishable foodstuffs in refrigerated vehicles, especially for dairy products, meat and frozen foods. In this respect a suitable thermal insulation implemented in refrigerated vehicles is essential for saving energy while maintaining an appropriate conservation of the foodstuffs. ATP (Agreement on Transport of Perishable Foodstuffs) is one of the agreements concerning thermal insulation tests ensuing the suitability of the transport. The ATP standard test is a procedure to measure the insulating status of equipment with a global approach. Nonetheless, some local defects in the structure of equipment cannot be visualized in this procedure. The thermography technique could be particularly helpful for these issues. Two examples of this application are presented in this thesis, one focuses on mapping the heat flux on the external surface of an insulated rollcontainer by infrared thermography technique. The second one attempts to establish a panoramic view of the heat flux on the internal surface of an insulated vehicle. Encouraged by previous favorable results, an exploration of the cold approach in infrared thermography for Non-Destructive Testing & Evaluation is introduced and performed herein. One approach focuses on the detection of insulated flaws and thermal bridges in insulated truck box panels by lamp heating and air cooling, two opposite means of excitation. The other approach investigates the application of liquid nitrogen cooling to a steel specimen with flat-bottom holes of different depths and sizes. Different data processing methods and modeling and simulation are also carried out.