Composite Aircraft Lightning Strike Protection Damage Evaluation Using Microwave Microscopy

Au cours des 30 derni`eres anne´es, les concepteurs d'avions se sont tourne´s vers les mat´eriaux composites pour fabriquer leurs v´ehicules plus légers, plus économes en carburants et plus confortable pour les passagers. Les matériaux composites présentent un certain nombre d'avantages substantiels par rapport au métal, traditionnellement utilisés dans l'industrie. L'une de leurs principales propriétés est un rapport rigidité/poids très élevé. Des fibres très rigides (généralement des fibres de carbone ou verre) sont incorporées dans un matrice (généralement de la résine epoxy). Un deuxième avantage par rapport au métal est leur tolérance a` la corrosion. Les métaux sont sensibles à la fois à la corrosion et a` la fatigue. Les composites ne se corrodent pas, et ils ne sont pas soumis a` des dommages de fatigue dans l'e´tendue des structures métalliques. Par contre, les composites ne sont pas conducteurs (par exemple la fibre de verre) ou sont nettement moins conducteurs que les métaux (par exemple la fibre de carbone), et ne peuvent donc pas évacuer les courants intenses développées lors d'un événement de foudre. Les constructeurs d'avions ont mis au point un certain nombre de techniques spécialisées de protection contre la foudre (LSP en anglais). Bien que les LSP soient devenus d'un intérêt primordial au fil des ans comme moyen de protéger les structures composites, aucune technique n'a été trouvée pour diagnostiquer les LSP en fonction des exigences des fabricants. Les travaux de cette thèse ont ´ete´ partiellement financés par Bombardier Aérospatiale. Elle se concentrera sur une forme particulière de LSP, a` savoir la feuille de cuivre expansée (ECF en anglais) qui est largement utilisée dans la plupart des avions de long courrier de Bombardier. Le premier chapitre de cette thèse consiste en une revue des techniques les plus répandues actuellement utilisées dans l'évaluation des polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP en anglais). Il compare ces techniques et indique leurs limites et contraintes pour résoudre le problème formule´. Une introduction a` la microscopie micro-onde en champ proche est également présentée dans ce chapitre. Elle représente le noyau de tous les développements de cette thèse. Il y a de nombreuses variables qui interviennent dans la technique de microscopie micro-onde et qui doivent être adaptées `a l'objectif de ce travail. Le Chapitre 2 est une exploration des sondes électriques en champ proche ainsi qu'une analyse du dispositif de mesure correspondant. Il fixe les limites, les avantages et les inconvénients de l'applicabilité de la microscopie a` micro-ondes pour l'´evaluation des CFRP. Une sonde `a guide d'onde coplanaire est utilisée ici pour démontrer que des défauts peuvent être trouvés dans le maillage LSP.

Abstract

The last decades have seen a surge in the amount of composite materials used by the aircraft industry. This tendency is mainly due to a key advantage of composites compared with traditional aluminum alloys. They have strength while lowering the overall weight of the aircraft, which saves fuel consumption and improve efficiency and performance. A second advantage over metal is their tolerance to corrosion. Metals are susceptible to both corrosion and fatigue. Composites do not corrode, and they are not subject to fatigue damage to the extent of metal structures. Conversely, composites are either not conductive (e.g. fiberglass) or significantly less conductive than metals (e.g., carbon fiber), so they can not conduct away the intense currents developed during a lightning event. Aircraft manufacturers have developed a number of specialized lightning strike protection materials (LSP). Even though LSP has become of paramount interest over the years as a means to protect composite structures, no techniques have been found to diagnose LSP according to manufactures requirements. Since this work was partially supported by Bombardier Aerospace, it will be concentrated in one particular form of LSP, namely expanded copper foil (ECF) which is widely used in most Bombardier long courier aircraft.The first chapter of this thesis reviews the most established techniques currently used in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) evaluation. It compares these techniques and it states their limitations and constraints to solve the formulated problem. An introduction of near field microwave microscopy is also presented in this chapter which will be the core of all developments in this dissertation.There are many variables that intervene in microwave microscopy technique that must be adapted to the purpose of this work. Chapter 2 is an exploration of near filed electric probes and analysis of the related measurement set-up. It sets the limits, pros and cons of the applicability of microwave microscopy for scanning CFRP. A coplanar waveguide probe is used here to demonstrate that defects can be found in LSP mesh. The limits of this design prompts the development of a magnetic probe.A new application of microwave microscopy technique is experimentally demonstrated in Chapter 3. A new magnetic probe design is introduced capable of revealing flaws as small as 100 µm in the LSP, even under 350 µm thick paint layer. A potential application consisting of measuring the paint thickness is identified as well. Experimental measurements of the paint layer thickness with a resolution better than 2 µm have been demonstrated.