Characterization of the Degradation of Advanced Materials in Aging Structures Using Nondestructive Thermographic Techniques
Φόρτωση...
Ημερομηνία
Συγγραφείς
Exarchos, Dimitrios
Έξαρχος, Δημήτριος
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Περίληψη
Τύπος
Είδος δημοσίευσης σε συνέδριο
Είδος περιοδικού
Είδος εκπαιδευτικού υλικού
Όνομα συνεδρίου
Όνομα περιοδικού
Όνομα βιβλίου
Σειρά βιβλίου
Έκδοση βιβλίου
Συμπληρωματικός/δευτερεύων τίτλος
Περιγραφή
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 fiberreinforced
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 to
68% under severe erosion.
Expanding beyond aerospace, the research demonstrated IRT’s versatility in cultural heritage
diagnostics and prognostics. Techniques such as Graduated Heating Thermography were
employed 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 underscores
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 έρευνα στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής προωθεί 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, με λόγο 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 με σωματίδια (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.
Η έρευνα στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής προωθεί 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, με λόγο 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 με σωματίδια (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.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Infrared thermography, Non destructive testing, Non destructive evaluation, Aerospave applications, Cultural heritage protection
Θεματική κατηγορία
Παραπομπή
Σύνδεσμος
Γλώσσα
Εκδίδον τμήμα/τομέας
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Όνομα επιβλέποντος
Ματίκας, Θεόδωρος
Εξεταστική επιτροπή
Μοροπούλου, Αντωνία
Δάσιος, Κωνσταντίνος
Παϊπέτης, Αλκιβιάδης
Μπάρκουλα, Νεκταρία- Μαριάνθη
Καράντζαλης, Αλέξανδρος
Baxevanis, Theocharis
Δάσιος, Κωνσταντίνος
Παϊπέτης, Αλκιβιάδης
Μπάρκουλα, Νεκταρία- Μαριάνθη
Καράντζαλης, Αλέξανδρος
Baxevanis, Theocharis
Γενική Περιγραφή / Σχόλια
Ίδρυμα και Σχολή/Τμήμα του υποβάλλοντος
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή
Tμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Tμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Πίνακας περιεχομένων
Χορηγός
Βιβλιογραφική αναφορά
Ονόματα συντελεστών
Αριθμός σελίδων
Λεπτομέρειες μαθήματος
Συλλογές
item.page.endorsement
item.page.review
item.page.supplemented
item.page.referenced
Άδεια Creative Commons
Άδεια χρήσης της εγγραφής: Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States