X-ışını ve düşük enerjili gama ışınları zırhlama özelliğine sahip enerji depolayıcı polimer temelli nano kompozitlerin üretimi
Production of energy storage polymer-based nano composites with shielding property of X-ray and low energy gamma rays
Yazar: EMRE BEYAZAY
Danışman: PROF. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Baryum oksit = Barium oxide ; Dielektrikler = Dielectrics ; Gama spektroskopisi = Gamma spectroscopy ; Mekanik dayanım = Mechanical strength ; Polikarbazol = Polycarbazole ; Polivinil alkol = Polyvinyl alcohol

Özet:
Bu tez çalışması polimer tabanlı nano parçacıklarla güçlendirilmiş, elektriksel özelikleri, mekanik dayanımları ve radyasyon perdeleme özellikleri gelişmiş çok işlevli nano kompozitler üretmeye odaklanmıştır. Bu amaca uygun olarak, iletken bir polimer olan polikarbazol (PCz) ile yarı iletken bir polimer olan polivinil alkol (PVA), kompozitlerin ana bileşeni olarak seçilmiştir. İlgili matrisler birlikte çökeltme yöntemiyle sentezlenen baryum oksit (BaO) nano parçacıklarla güçlendirilerek nano kompozitler üretilmiştir. Gerek Cz monomerinden sentezlenen PCz ile birlikte çökeltme yöntemiyle üretilen BaO nano parçacıklar gerekse de hazırlanan komzozitler çeşitli fiziksel ve kimyasal yöntemlerle karakterize edilmiştir. Bu yöntemler arasında, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, X-ışını kırınımı (XRD) analizi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu  (TEM) ile görüntüleme mevcuttur. PCz/BaO nano kompozitler hacimsel formda hazırlanırken; PVA/BaO nano kompzoitler kalın film formunda üretilmiştir. PCz/BaO ve PVA/BaO nano kompozitlerin frekansa bağlı elektriksel özellikleri birkaç Hz'den MHz'e kadar değişen bir skalada incelenmiş olup  BaO nano parçacık katkısının her iki matrisin de enerji depolama yeteneğini geliştirdiği tespit edilmiştir. Ayrıca, PCz/BaO nano kompozitlerinin iyonize radyasyonu zayıflatma performansları hem deneysel hem de teorik olarak 81 keV-1332 keV foton enerji aralığında araştırılmıştır. PVA/BaO nano kompozitlerin mekanik dayanıklılıkları ise mekanik çekme testleri ile tespit edilmiştir. Tüm deneysel ve teorik çalışma sonuçları, her iki kompozit ailesinde de iyileştirilmiş elektriksel özelliklerin yanı sıra BaO katkısıyla gelişmiş mekanik özellikler ile düşük enerjili iyonize radyasyonu zayıflatma performansına dikkat çekmektedir. Zira BaO partikül katkısı kütlece düşük düzeyde tutulduğunda baryum oksidin PVA'nın mekanik dayanımını iyileştirdiği ve PCz matrise kütlece %30'lara varan yüksek oranlarda eklenmesi durumunda da PCz matrise 81 keV gibi düşük enerjili iyonize radyasyonu perdeleme kabiliyeti kazandırdığı tespit edilmiştir. BaO nano parçacık katkısıyla hem PCz hem de PVA matrisin birden fazla özelliğinde gözlenen bu söz konusu çoklu iyileşme, bu matrisler için baryum oksit nano parçacıklarının çok fonksiyonlu malzeme üretme adına ümit vadettiğini işaret etmektedir.

Abstract:
This thesis is focused on producing multifunctional polymer-based nanocomposites with improved electrical properties, mechanical strength, and radiation shielding properties. For this purpose, polycarbazole (PCz), a conductive polymer, and polyvinyl alcohol (PVA), a semiconductor polymer, have been chosen as the main components of the composites. Nanocomposites have been produced by reinforcing the related matrices with barium oxide (BaO) nanoparticles synthesized by the co-precipitation method. BaO nanoparticles produced by co-precipitation method, PCz synthesized from Cz monomer and the prepared composites have been characterized by various physical and chemical methods. These methods include Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) analysis, scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM) imaging. While PCz/BaO nanocomposites have been prepared in bulk form; PVA/BaO nanocomposites have been produced in thick film form. The frequency-dependent electrical properties of PCz/BaO and PVA/BaO nanocomposites have been investigated on a frequency scale ranging from a few Hz to MHz. It has been determined that the BaO nanoparticle additive improved the energy storage ability of both matrices. In addition, the ionizing radiation attenuation performances of PCz/BaO nanocomposites have been studied both experimentally and theoretically in the photon energy range of 81 keV-1332 keV. The mechanical durability of PVBaO nanocomposites has been determined by mechanical tensile tests. All experimental and theoretical study results draw attention to the improved electrical properties in both composite families, as well as the improved mechanical properties and low-energy ionizing radiation attenuation performance with the addition of BaO. It has been determined that barium oxide improves the mechanical strength of PVA when the BaO particle additive is kept at a low level by mass, and when it is added to the PCz matrix at high rates of up to 30% by mass, it gives the PCz matrix the ability to shield low-energy ionizing radiation such as 81 keV. These multiple improvements observed in multiple properties of both PCz and PVA matrixes with BaO nanoparticle doping indicate that barium oxide nanoparticles are promising for producing multifunctional materials for these matrices.