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Titre :

# Mesure térahertz de faibles épaisseurs et détection de défauts aux interfaces pour les revêtements industriels : Avancées et applications

Sabri Ben Khemis

Ingénieur commercial

Terakalis, 256 rue de Thor, Montpellier, France ;

Email : s.benkhemis@terakalis.com

www.terakalis.com

## Résumé

Guidée par une recherche continue de performance de production, de qualité de fabrication et de réduction des coûts, l'industrie utilise de manière croissante de nouveaux revêtements techniques, hybrides, multifonctionnels, assurant des fonctions critiques (anticorrosion, protection contre les impacts de foudre, blindage, furtivité...). Ces revêtements sont souvent conçus pour optimiser des propriétés thermiques, électromagnétiques, électriques, mais aussi acoustiques ou mécaniques. Leur complexité peut être plus ou moins importante avec la possibilité d'ajouter des fonctions supplémentaires selon leur cadre d'utilisation, comme par exemple l'utilisation en conditions extrêmes.

L'aptitude des technologies THz pour la mesure d'épaisseur de revêtements a déjà été démontrée dans de nombreuses publications et en environnement industriel. Les gammes de mesure, la précision ainsi que la cadence d'acquisition et de traitement sont compatibles avec une grande partie des applications industrielles. Le capteur développé par Terakalis est rapide, sans contact et adapté au travail sur des pièces avec des surfaces complexes et de grandes dimensions. Il permet de déterminer l'épaisseur de chaque couche d'un revêtement multicouche et offre des avantages significatifs par rapport aux techniques existantes. Il est par exemple possible de :

* Mesurer des épaisseurs multicouches très fines (à partir de 10µm), sur tous types de substrats (métalliques, composites, céramiques...), de manière rapide pour des cartographies,

* Détecter des départs de corrosion sur substrat métallique sous le revêtement,

* Détecter des défauts de cohésions entre le revêtement et le substrat (délaminations),

* Mesurer les épaisseurs de revêtements même humides (gain de temps, détection plus rapide d'éventuels défauts).

Cette technologie représente une rupture majeure pour le contrôle de la qualité et des processus dans l'application de peinture et offre des avantages économiques et environnementaux. Lors de cette communication, TERAKALIS, société spécialisée en fabrication d'équipements THz, présentera le principe des ondes TeraHertz, les principales méthodes de mesure, un état de la maturité des systèmes THz actuels avec leurs performances et limites pour la mesure de faibles épaisseurs et la détection de défauts dans les revêtements fins (<1mm) et aux interfaces. Elle s'appuiera sur des cas applicatifs en guise d'illustration.
## Introduction

L'industrie moderne cherche constamment à améliorer la performance, la qualité et la durabilité des revêtements utilisés dans divers domaines tels que l'aérospatiale, l'automobile, la construction navale, les énergies alternatives, le ferroviaire, le nucléaire et la pétrochimie. Les revêtements techniques, hybrides et multifonctionnels sont de plus en plus utilisés pour assurer des fonctions critiques telles que l'anticorrosion, la protection contre les impacts de foudre, la barrière thermique le blindage et la furtivité. Ces revêtements sont souvent conçus pour optimiser des propriétés spécifiques telles que thermiques, électromagnétiques, électriques, acoustiques ou mécaniques, en fonction de leur application et de leur environnement d'utilisation. La mesure précise de l'épaisseur de ces revêtements ainsi que la détection rapide de défauts aux interfaces revêtent une importance cruciale pour garantir leur qualité et leur performance.

## Technologies Térahertz pour la mesure d'épaisseur de revêtements

Les systèmes de mesure par ondes térahertz (THz) ont émergé comme une technologie prometteuse pour la mesure d'épaisseur de revêtements diélectriques fins et la détection de défauts aux interfaces. Ils valorisent la capacité de pénétration des ondes térahertz, avec leur longueur d'onde de l'ordre de plusieurs centaines de micromètres à quelques millimètres, de manière non destructive à l'intérieur de nombreux matériaux isolants opaques optiquement tels que les plastiques, les céramiques, les composites... Grâce à leur sensibilité de mesure, ils offrent la possibilité de discriminer chaque couche d'un matériau rencontré et de pouvoir contrôler ses interfaces.

1. Les ondes TeraHertz se propagent à travers les matériaux non conducteurs et sont modifiées par les variations de l'indice de réfraction et de la permittivité des matériaux rencontrés.

La mesure de ces modifications permet d'identifier les différentes couches d'un revêtement multicouche et de détecter les changements d'interface. Différentes méthodes de mesure térahertz ont été développées pour la caractérisation précise des revêtements industriels. Parmi celles-ci, la spectroscopie térahertz résolue en temps (Time domain spectroscopy : TDS), en transmission et réflexion, est largement utilisée. En mesurant les variations d'amplitude et de phase des ondes térahertz transmises ou réfléchies par les revêtements, il est possible de déterminer l'épaisseur de chaque couche constituant le revêtement. Cette technique offre une résolution micronique et est compatible avec une grande variété de substrats et de revêtements.

## 2. La méthode par réflexion :

La spectroscopie Terahertz résolue en temps, en mode réflexion, émet des ondes TeraHertz et mesure les paramètres des ondes réfléchies à chaque interface d'un système multicouche. Cette méthode est utilisée pour évaluer l'épaisseur de chaque couche d'un système et pour détecter les défauts d'interface tels que les délaminations ou les bulles d'air entre les couches.

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### Principe de mesure en temps de vol

* Réflexion du signal à chaque interface

* Après une caractérisation préalable de l'indice optique de chaque couche i d'un matériau (ni)
* Le délai temporel $\Delta t$ mesuré entre deux impulsions donne accès à la distance $\Delta e$ entre deux interfaces consécutives selon : $\Delta e = (c*\Delta t) / 2ni$, c étant la vitesse de la lumière

Il convient de noter que l'indice de réfraction des matériaux peut être représenté sous forme complexe, où la partie réelle correspond à l'indice optique du matériau et la partie imaginaire à son coefficient d'absorption.

## Détection de défauts aux interfaces

Outre la mesure d'épaisseur, les systèmes par ondes térahertz peuvent également détecter les défauts aux interfaces des revêtements. Un défaut peut être considéré comme un matériau différent du matériau hôte en fonction de sa nature, de son épaisseur ou de son orientation. Il affectera comme présenté précédemment les paramètres de l'onde TeraHertz réfléchie ou transmise, notamment par l'atténuation de son amplitude ou la modification de sa phase.

Les défauts courants comprennent la corrosion, les fissures, les bulles d'air, les contaminants et les délaminations. En analysant les variations de densité et de cohésion à l'interface entre le revêtement et le substrat, les systèmes d'imagerie par ondes térahertz peuvent identifier ces défauts avec une grande sensibilité sans endommager le revêtement. Ils constituent ainsi une méthode non destructive et sélective par couche pour évaluer l'intégrité du revêtement.

## Avantages et applications industrielles

Les systèmes Terahertz actuellement développés présentent des caractéristiques compatibles avec de nombreux cas applicatifs industriels notamment en termes de rapidité, robustesse, mode sans contact, calibration limitée. De plus, il est possible soit de l'utiliser manuellement par un opérateur soit de l'intégrer sur un bras robotisé pour couvrir des surfaces complexes et de grandes dimensions. Les

principales applications industrielles comprennent :

* Mesure d'épaisseurs multicouches très fines :

Les systèmes térahertz permettent de mesurer des épaisseurs multicouches à partir de 10 µm, offrant une précision élevée pour les revêtements les plus fins. Cette capacité est essentielle pour garantir la conformité aux spécifications et la performance des revêtements techniques.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1: Mesure d'épaisseur de revêtement multicouche sur substrat pièce aéronautique courbe en composite</figcaption></figure>

* Détection de corrosion sous le revêtement :

Les systèmes térahertz peuvent détecter les départs de corrosion sur les substrats métalliques recouverts de revêtements. Cette fonctionnalité permet une détection précoce de la corrosion, facilitant ainsi la maintenance préventive et la prolongation de la durée de vie des structures métalliques.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2: Imagerie 2D d'une éprouvette en aluminium corrodée sous un revêtement fin d'époxy. A gauche, dans le visible, à droite par imagerie THz. On notera la sensibilité de la technologie à la corrosion sous revêtement</figcaption></figure>
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3: Principe de la mesure par temps de vol de la profondeur de l'attaque corrosive sous revêtement de protection</figcaption></figure>

* Détection de défauts de cohésion :

Les systèmes térahertz sont sensibles aux défauts de cohésion entre le revêtement et le substrat, tels que les délaminations. La détection précoce de ces défauts permet d'éviter les défaillances potentielles du revêtement et d'améliorer la fiabilité des structures.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4: Détection d'un délaminage dans un patch de réparation composite en Kevlar. Imagerie par temps de vol au-dessus, et mesure de la profondeur de la délamination en-dessous</figcaption></figure>

* Mesure d'épaisseurs de revêtements humides :

Contrairement à de nombreuses autres techniques de mesure, les systèmes térahertz peuvent évaluer les épaisseurs de revêtements même lorsqu'ils sont humides. Cela permet un gain de temps significatif dans les procédés de fabrication et une détection plus rapide d'éventuels défauts, améliorant ainsi l'efficacité des contrôles qualité.

Depuis leur avènement dans les années 2000 au niveau des laboratoires de recherche, les systèmes Terahertz ont atteint depuis quelques années un niveau de maturité significatif, avec des performances améliorées en termes de sensibilité, de résolution, de robustesse et de vitesse d'acquisition des données. Des avancées technologiques dans le domaine des sources laser pulsées, des antennes photoconductives et des systèmes d'échantillonnage et de traitement de données à très haute cadence, ont permis des premiers déploiements sur ligne de production avec des systèmes déclinés en version robotisée pour des pièces à géométrie 3D ou en version fixe au-dessus de convoyeurs.
**Conclusion**

Les avancées dans les technologies térahertz ont
ouvert de nouvelles perspectives pour la mesure
d'épaisseur de revêtements fins et la détection
de défauts aux interfaces dans des matériaux
non conducteurs électriques. Les systèmes
térahertz constituent une méthode non
destructive, rapide, sélective par couche et
précise pour caractériser les revêtements
multicouches et évaluer leur intégrité. Ils
permettent de répondre à des problématiques
non couvertes par les techniques existantes,
offrant ainsi des opportunités pour améliorer la
qualité des revêtements industriels, réduire les
coûts de maintenance et prolonger la durée de
vie des structures. Ils se déploient au niveau
industriel dans des secteurs exigeants tels que
l'aérospatiale, l'automobile, la construction
navale, les énergies alternatives, le ferroviaire,
le nucléaire et la pétrochimie.

Références :

1. T.Antonini, Terakalis, Les dispositifs térahertz pour scruter le cœur des matériaux, Cahier Technique, Industries et Technologies N°1051 mars 2022, pages 49 à 55.

2. Smith, J. et al. "Terahertz spectroscopy: A powerful new tool for the chemical sciences?" Chemical Society Reviews 37.3 (2008): 269-279.

3. Wietzke, S. et al. "Terahertz spectroscopy on solid-state samples." Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 36.6 (2015): 547-571.

4. Duling, I.N. "Terahertz frequency metrology." IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 1.1 (2011): 1-10.

5. Jepsen, P.U. et al. "Terahertz spectroscopy and imaging - Modern techniques and applications." Laser & Photonics Reviews 5.1 (2011): 124-166.

6. Pickwell, E. et al. "Terahertz imaging for biomedical applications: Patterns and opportunities." Journal of Physics