Synthesis and characterization of scintillation composite materials with polymer matrix

Abstract

Predmet ove doktorske disertacije obuhvata istraživanja u oblasti funkcionalnih optoelektronskih kompozitnih materijala s polimernom matricom za primenu u elektronskim tehnologijama kao i u oblasti radiologije, dozimetrije, luminiscentnih svetlovoda, lasera i senzora. Indeks refrakcije polimera može biti modifikovan dodavanjem čestica sa velikom vrednošću indeksa refrakcije. Ovaj tip modifikacije se vrši na materijalima za detekciju jonizujućeg zračenja, gde se čestice neorganskih scintilacionih kristala kao što su BaF2, CeF3, CsI, Bi12GeO20 (BGO), ili Bi12SiO20 (BSO) ugrađuju u matricu polimera. Tokom dosadašnjih istraživanja u ovoj oblasti fluoridi i BGO su pokazali dobre rezultate, dok BSO poseduje slična svojstva kao i BGO, ali je jeftiniji. Ugradnjom BSO u polimerni kompozit dobio bi se dostupniji materijal šireg opsega primene. U eksperimentalnom delu ovog doktorata izvedeno je procesiranje i karakterizacija kompozitnog materijla PMMA- Bi12SiO20 (BSO). Procesom livenja iz rastvora dobijeni su tanki filmovi čistog PMMA i kompozita sa 0.5 and 1.0 mas% Bi12SiO20 čestica. U cilju ispitivanja morfologije i structure kao i termijskih, optičkih i mehaničkih svojstava, karakterizacija polaznh komponenti i dobijenih kompozita izvedena je primenom metoda XRD, FTIR, Raman spectroskopije, SEM, DSC, ispitivanjem zatezanjem, nanoindentacijom i spektroskopskom elipsometrijom. Ispitivanje spektroskopskom elipsometrijom pokazalo je da je indeks refrakcije kompozita veći u odnosu na čist polimer i raste sa povećanjem sadržaja BSO. Nanoindentacija i ispitivanje zatezanjem pokazali su da mehanička svojstva kompozita rastu sa dodatkom prah BSO. Vrednosti Jungovog modula elastičnosti kao i redukovanog modula elastičnosti i tvrdoće rastu sa povećanjem sadržaja kristalnog BSO. Termijska svojstva ispitivana su metodom DSC. Tempeartura transformacije u staklasto stanje, Tg, raste sa dodatkom BSO u PMMA , kao i sa poveanjem sadržaja BSO praha u kompozitu...

The aim of this dissertation was the research of functional optoelectronic composite materials with polymer matrix for use in electronic technologies and radiology, dosimetry, luminescent lightguides, lasers and sensors. Refractive index of polymers could be modified with embedded particles with high index of refraction. The modification could be done by embedding in polymer crystals like BaF2, CeF3, CsI, Bi12GeO20 (BGO), or Bi12SiO20 (BSO) – materials for the detection of ionization radiation. Good results were obtained with fluorides and BGO, wile BSO has similar properties, but it is less expensive. So, with embedding BSO in polymer matrix the most available composite material will be composed. Poly (methyl methacrylate) (PMMA) was chosen as polymer matrix because of excellent optical properties. It is transparent in the visible range of electromagnetic radiation. In this dissertation processing and characterization of polymer composite material PMMA-Bi12SiO20 (BSO) was carried out. Thin films of pure PMMA and composites with 0.5 and 1.0 wt% of Bi12SiO20 powder were made using solution casting method. Characterization of starting components and composites was performed with XRD, FTIR, Raman spectroscopy, SEM, DCS, tensile tests, nanoindentation and spectroscopic ellipsometry method in order to obtain information of their morphology, structure, thermal stability, mechanical and optical properties. Refractive index measurements using spectroscopic ellipsometry method have shown that refractive index of composites increases with the powder content. Nanoindentation and tensile tests have shown mechanical improvements with the addition of the crystal through...