CN102837429B - 一种取向非连续纤维预浸料的制备设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料制备技术,涉及一种取向非连续纤维预浸料及其制备设备。本发明的取向非连续纤维预浸料中的纤维是取向非连续纤维,它是长度为10mm~200mm的短切纤维。本发明的制备设备,其特征在于:它由供料辊(3)、收料辊(4)、短切辊(5)、硬橡胶辊(6)和两个热压辊(7)组成。本发明提出了一种取向非连续纤维预浸料及其制备方法,解决了制备复杂形状复合材料零件容易形成褶皱、影响复合材料的力学性能的难题,简化了制造工艺,降低了制造成本。

Description

一种取向非连续纤维预浸料的制备设备
技术领域
本发明属于复合材料制备技术,涉及一种取向非连续纤维预浸料及其制备设备。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高强、高模量、耐疲劳、抗腐蚀、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型大型构件等突出优点,已在航空航天领域和社会生活的各个领域获得了广泛的应用,并显示出不可替代的重要地位。目前,复合材料的成本远高于金属材料,高成本已经成为复合材料扩大应用的主要障碍。复合材料的成本主要包括三个方面:原材料成本、设计制造成本以及使用维护成本。据统计,复合材料的制造工艺成本占总成本的75%以上。目前,在航空航天领域,连续纤维预浸料是制备复合材料制件的主要材料之一。当使用连续纤维预浸料制备或修补多曲率的复杂复合材料制件时,由于连续纤维预浸料的变形小,容易在复合材料制件复杂形状处,影响复合材料的力学性能。为了解决上述问题,需要制造复杂工装,减轻褶皱的影响,使制造工艺复杂,制造成本上升。
发明内容
本发明的目的是:提出一种取向非连续纤维预浸料的制备方法,以解决制备复杂形状复合材料零件容易形成褶皱、影响复合材料的力学性能的难题,简化制造工艺,降低制造成本。
本发明的技术方案是:一种取向非连续纤维预浸料的制备设备,其特征在于:它由供料辊3、收料辊4、短切辊5、硬橡胶辊6和两个热压辊7组成;短切辊5和硬橡胶辊6组成切割对辊,两个热压辊7组成热压对辊,缠绕在供料辊3上的连续纤维预浸料1从切割对辊的切割面和热压对辊热压面穿过后形成取向非连续纤维预浸料2缠绕在收料辊4上;在短切辊5的外圆柱面上有多排短切刀,其结构为下述形式之一:
(1)短切刀由平行于轴向成直线排列的直刀刃5a组成,每排短切刀中直刀刃5a的长度和相邻两个直刀刃5a的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排直刀刃5a的间距a=5mm~100mm,相邻两排直刀刃5a交错排列;直刀刃5a的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;
(2)短切刀5a是由平行于轴向的纵刀刃5c和垂直轴向的横刀刃5b组成的T字形切刀,刀刃5c成直线排列,每排短切刀中纵刀刃5c的长度和相邻两个纵刀刃5c的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排纵刀刃5c的间距a=5mm~100mm,相邻两排纵刀刃5c交错排列;纵刀刃5c的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;横刀刃5b的一端与纵刀刃5c相交,横刀刃5b的长度为a,横刀刃5b的径向高度与纵刀刃5c相同。
一种取向非连续纤维预浸料的制备设备,其特征在于:它由供料辊3、两个放胶膜辊15、两个预浸热压辊12、剥离辊8、收膜辊9、短切辊5、硬橡胶辊6、放膜辊10、两个热压辊7和收料辊4组成;两个预浸热压辊12组成预浸热压对辊,短切辊5和硬橡胶辊6组成切割对辊,两个热压辊7组成热压对辊;缠绕在供料辊3上的是连续纤维帘子布或连续纤维织物14,两个放胶膜辊15位于供料辊3和预浸热压对辊之间,一个放胶膜辊15位于供料辊3和预浸热压对辊的上面,缠绕在位于上面的放胶膜辊15上的胶膜13与连续纤维帘子布或连续纤维织物14的上表面贴合,另一个放胶膜辊15位于供料辊3和预浸热压对辊的下面,缠绕在位于下面的放胶膜辊15上的胶膜13与连续纤维帘子布或连续纤维织物14的下表面贴合,连续纤维帘子布或连续纤维织物14与上下表面的胶膜13同时通过两个预浸热压辊12的热压面形成预浸料;由剥离辊8和收膜辊9组成收膜机构位于预浸热压对辊和切割对辊之间,剥离辊8的辊面与预浸料的上表面接触,收膜辊9位于剥离辊8的上面,预浸料上表面的上剥离膜11绕过剥离辊8后收卷在收膜辊9上;缠绕着上剥离膜11的放膜辊10位于切割对辊和热压对辊之间,上剥离膜11与预浸料的上表面贴合,同时进入热压对辊的热压面与预浸料热压为整体,形成取向非连续纤维预浸料2缠绕在收料辊4上;在短切辊5的外圆柱面上有多排短切刀,其结构为下述形式之一:
(1)短切刀由平行于轴向成直线排列的直刀刃5a组成,每排短切刀中直刀刃5a的长度和相邻两个直刀刃5a的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排直刀刃5a的间距a=5mm~100mm,相邻两排直刀刃5a交错排列;直刀刃5a的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;
(2)短切刀5a是由平行于轴向的纵刀刃5c和垂直轴向的横刀刃5b组成的T字形切刀,刀刃5c成直线排列,每排短切刀中纵刀刃5c的长度和相邻两个纵刀刃5c的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排纵刀刃5c的间距a=5mm~100mm,相邻两排纵刀刃5c交错排列;纵刀刃5c的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;横刀刃5b的一端与纵刀刃5c相交,横刀刃5b的长度为a,横刀刃5b的径向高度与纵刀刃5c相同。
本发明的优点是:提出了一种取向非连续纤维预浸料及其制备方法,解决了制备复杂形状复合材料零件容易形成褶皱、影响复合材料的力学性能的难题,简化了制造工艺,降低了制造成本。本发明使取向非连续纤维预浸料的生产过程具有低成本和连续性,又能降低制备复杂形状复合材料制件的制备成本,为树脂基复合材料的制备体统一种可选择的新型材料。
附图说明
图1是本发明制备设备一种技术方案的原理结构示意图。
图2是本发明制备设备第二种技术方案的原理结构示意图。
图3是本发明制备设备第三种技术方案的原理结构示意图。
图4是本发明制备设备中短切辊5上短切刀一种结构的结构示意图。
图5是本发明制备设备中短切辊5上短切刀另一种结构的结构示意图。
具体实施方式
下面通对本发明做进一步详细说明。一种取向非连续纤维预浸料,它由作为增强材料的纤维帘子布或纤维织物和浸渍在纤维帘子布或纤维织物上的树脂基体组成,所说的纤维为下述纤维之一或者混合纤维:植物纤维、无机纤维或有机纤维;所说的树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂;其特征在于:所说的纤维是取向非连续纤维,它是长度为10mm~200mm的短切纤维,并且有序排列,在一个或几个方向上取向。
参见图1、图2、图4和图5,如上面所述的取向非连续纤维预浸料的制备设备,其特征在于:它由供料辊3、收料辊4、短切辊5、硬橡胶辊6和两个热压辊7组成;短切辊5和硬橡胶辊6组成切割对辊,两个热压辊7组成热压对辊,缠绕在供料辊3上的连续纤维预浸料1从切割对辊的切割面和热压对辊热压面穿过后形成取向非连续纤维预浸料2缠绕在收料辊4上;在短切辊5的外圆柱面上有多排短切刀,其结构为下述形式之一:
(1)短切刀由平行于轴向成直线排列的直刀刃5a组成,每排短切刀中直刀刃5a的长度和相邻两个直刀刃5a的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排直刀刃5a的间距a=5mm~100mm,相邻两排直刀刃5a交错排列;直刀刃5a的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;
(2)短切刀5a是由平行于轴向的纵刀刃5c和垂直轴向的横刀刃5b组成的T字形切刀,刀刃5c成直线排列,每排短切刀中纵刀刃5c的长度和相邻两个纵刀刃5c的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排纵刀刃5c的间距a=5mm~100mm,相邻两排纵刀刃5c交错排列;纵刀刃5c的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;横刀刃5b的一端与纵刀刃5c相交,横刀刃5b的长度为a,横刀刃5b的径向高度与纵刀刃5c相同。
使用上述设备制备取向非连续纤维预浸料主要步骤如下:首先缠绕在供料辊3上的连续纤维预浸料1通过短切辊5和硬橡胶辊6组成的切割对辊的切割面,连续纤维预浸料本体和上下两层剥离膜被短切成取向非连续纤维预浸料,由于剥离纸还能作为一个整体,在长度方向具有一定的拉力,保证生产过程的连续性和取向非连续纤维预浸料的完整性。然后通过热压对辊7,在一定的温度下热压复合,均匀压实预浸料,然后通过收料辊4收卷制备得到取向非连续纤维预浸料。
为了防止在短切时污染预浸料本体,在供料辊3和切割对辊之间有一个由剥离辊8和收膜辊9组成的收膜机构,剥离辊8的辊面与连续纤维预浸料1的上表面接触,收膜辊9位于剥离辊8的上面,连续纤维预浸料1上表面的上剥离膜11绕过剥离辊8后收卷在收膜辊9上;在切割对辊和热压对辊之间有一个缠绕着上剥离膜11的放膜辊10,上剥离膜11进入热压对辊7的热压面与连续纤维预浸料本体热压为整体。
上述设备在短切时需要将连续纤维预浸料本体和上下两层剥离膜切透,在短切过程中,上剥离膜11的残渣和污物容易随短切刀口进入预浸料本体,污染预浸料。在设置了剥离辊8和收膜辊9组成的收膜机构以后,先将上剥离膜11剥离,然后进行短切,短切后重新通过放膜辊10贴覆上剥离膜11,最后一起进入热压对辊7的热压面热压面,在一定的温度下热压复合,通过收料辊4收卷制备得到取向非连续纤维预浸料。
参见图3至图5,制备如上面所述的取向非连续纤维预浸料的设备,其特征在于:它由供料辊3、两个放胶膜辊15、两个预浸热压辊12、剥离辊8、收膜辊9、短切辊5、硬橡胶辊6、放膜辊10、两个热压辊7和收料辊4组成;两个预浸热压辊12组成预浸热压对辊,短切辊5和硬橡胶辊6组成切割对辊,两个热压辊7组成热压对辊;缠绕在供料辊3上的是连续纤维帘子布或连续纤维织物14,两个放胶膜辊15位于供料辊3和预浸热压对辊之间,一个放胶膜辊15位于供料辊3和预浸热压对辊的上面,缠绕在位于上面的放胶膜辊15上的胶膜13与连续纤维帘子布或连续纤维织物14的上表面贴合,另一个放胶膜辊15位于供料辊3和预浸热压对辊的下面,缠绕在位于下面的放胶膜辊15上的胶膜13与连续纤维帘子布或连续纤维织物14的下表面贴合,连续纤维帘子布或连续纤维织物14与上下表面的胶膜13同时通过两个预浸热压辊12的热压面形成预浸料;由剥离辊8和收膜辊9组成收膜机构位于预浸热压对辊和切割对辊之间,剥离辊8的辊面与预浸料的上表面接触,收膜辊9位于剥离辊8的上面,预浸料上表面的上剥离膜11绕过剥离辊8后收卷在收膜辊9上;缠绕着上剥离膜11的放膜辊10位于切割对辊和热压对辊之间,上剥离膜11与预浸料的上表面贴合,同时进入热压对辊的热压面与预浸料热压为整体,形成取向非连续纤维预浸料2缠绕在收料辊4上;在短切辊5的外圆柱面上有多排短切刀,其结构为下述形式之一:
(1)短切刀由平行于轴向成直线排列的直刀刃5a组成,每排短切刀中直刀刃5a的长度和相邻两个直刀刃5a的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排直刀刃5a的间距a=5mm~100mm,相邻两排直刀刃5a交错排列;直刀刃5a的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;
(2)短切刀5a是由平行于轴向的纵刀刃5c和垂直轴向的横刀刃5b组成的T字形切刀,刀刃5c成直线排列,每排短切刀中纵刀刃5c的长度和相邻两个纵刀刃5c的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排纵刀刃5c的间距a=5mm~100mm,相邻两排纵刀刃5c交错排列;纵刀刃5c的径向高度不小于连续纤维预浸料1的厚度;横刀刃5b的一端与纵刀刃5c相交,横刀刃5b的长度为a,横刀刃5b的径向高度与纵刀刃5c相同。
制备取向非连续纤维预浸料主要步骤如下:首先缠绕在供料辊3上的连续纤维帘子布或纤维织物14与缠绕在放胶膜辊15上的树脂胶膜13一起通过热压对辊12,热压复合制备得到连续纤维预浸料1。连续纤维预浸料1通过剥离辊8和收膜辊9组成的收膜机构,剥离预浸料上层剥离膜11。剥离上膜11的目的是:在短切过程中,上剥离膜11容易随短切刀口进入预浸料本体,污染预浸料。然后连续纤维预浸料本体和下层剥离纸通过短切辊5和硬橡胶辊6组成的切割对辊的切割面,连续纤维预浸料被短切成取向非连续纤维预浸料,由于剥离纸还能作为一个整体,在长度方向具有一定的拉力,保证生产过程的连续性和取向非连续纤维预浸料的完整性。然后再与放膜辊10上剥离膜11一起进入热压对辊7的热压面热压面,在一定的温度下热压复合,通过收料辊4收卷制备得到取向非连续纤维预浸料。此制备设备和原理是将传统预浸料的制备工艺同非连续纤维预浸料的制备工艺的结合,极大地节约制备成本。
实施例1:
1)通过传统预浸料制备方法制备3233环氧树脂/EW250F玻纤织物预浸料,其中玻璃纤维质量含量为50%;
2)预浸料通过图1所示设备制备得到取向非连续纤维预浸料,短切辊5上短切刀结构的结构示意图如图5所示,具体参数为:a=5mm,b=10mm。热压对辊7的辊压温度为100℃,预浸料前移的速率为2米/分钟。
3)用步骤2中制备得到的取向非连续纤维预浸料制备复合材料层合板,其铺层方式为[(0°/90°)]4s,层合板力学性能如下表1,为了对比研究,用连续纤维预浸料制备得到的层合板力学性能也列入表中,如连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,径向拉伸强度为482MPa,径向拉伸模量为23.4GPa;而非连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,径向拉伸强度为468MPa,径向拉伸模量为20.5GPa。
表1:3233环氧树脂/EW250F玻纤织物预浸料复合材料力学性能对比
实施例2:
1)通过传统预浸料制备方法制备3235环氧树脂/G827碳纤维帘子布预浸料,其中碳纤维体积含量约为60%。
2)预浸料通过图2所示设备制备得到取向非连续纤维预浸料,短切辊5上短切刀结构的结构示意图如图4所示,具体参数为:a=100mm,b=100mm。热压对辊7的辊压温度为80℃,预浸料前移的速率为3米/分钟。
3)用步骤2中制备得到的取向非连续纤维预浸料制备复合材料层合板,铺层方式为单向铺层,共铺20层,制备得到复合材料的力学性能如下表2,为了对比研究,用连续纤维预浸料制备得到的层合板力学性能也列入表中,如连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维体积含量约为60%时,拉伸强度为1330MPa,拉伸模量为130GPa;而非连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为60%时,拉伸强度为1170MPa,拉伸模量为115GPa。
表2:3235环氧树脂/G827碳纤单向预浸料复合材料力学性能对比
实施例3:
1)通过图3所示设备制备得到3233环氧树脂基取向非连续苎麻纤维织物预浸料,短切辊5上短切刀结构的结构示意图如图5所示,具体参数为:a=50mm,b=200mm。热压对辊7的辊压温度为60℃,预浸料前移的速率为1.5米/分钟,其中苎麻纤维质量含量约为50%。
2)用步骤1中制备得到的取向非连续纤维预浸料制备复合材料层合板,其铺层方式为[(0°/90°)]4s,制备得到层合板的力学性能如下表3,为了对比研究,用连续纤维预浸料制备得到的层合板力学性能也列入表中,如连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,径向拉伸强度为155MPa,径向拉伸模量为19.3GPa;而取向非连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,径向拉伸强度为143MPa,径向拉伸模量为17.4GPa。
表3:3233环氧树脂/苎麻纤维织物预浸料复合材料力学性能对比
实施例4:
1)通过图3所示设备制备得到3233环氧树脂基取向非连续苎麻纤维帘子布预浸料,短切辊5上短切刀结构的结构示意图如图4所示,具体参数为:a=30mm,b=50mm。热压对辊7的辊压温度为70℃,预浸料前移的速率为4米/分钟,其中苎麻纤维质量含量约为50%。
2)用步骤1中制备得到的取向非连续纤维预浸料制备复合材料层合板,铺层方式为单向铺层,共铺10层,制备得到复合材料的力学性能如下表4,为了对比研究,用连续纤维预浸料制备得到的层合板力学性能也列入表中,如连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,拉伸强度为321MPa,拉伸模量为34.6GPa;而取向非连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,拉伸强度为278MPa,拉伸模量为25.3GPa。
表4:3233环氧树脂/苎麻纤维单向预浸料复合材料力学性能对比
实施例5:
1)通过图3所示设备制备得到3242环氧树脂基取向非连续914芳纶纤维织物预浸料,短切辊5上短切刀结构的结构示意图如图4所示,具体参数为:a=100mm,b=50mm。热压对辊7的辊压温度为80℃,预浸料前移的速率为5米/分钟,其中芳纶质量含量约为55%。
2)用步骤1中制备得到的取向非连续纤维预浸料制备复合材料层合板,其铺层方式为[(0°/90°)]5s,制备得到复合材料的力学性能如下表5,为了对比研究,用连续纤维预浸料制备得到的层合板力学性能也列入表中,如连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,径向拉伸强度为450MPa,径向拉伸模量为28GPa;而非连续纤维预浸料制备的复合材料,在纤维质量含量约为52%时,径向拉伸强度为428MPa,径向拉伸模量为25GPa。
表5:3242环氧树脂/914芳纶连续纤维织物预浸料复合材料力学性能对比

Claims (3)

1.一种取向非连续纤维预浸料的制备设备,其特征在于:它由供料辊(3)、收料辊(4)、短切辊(5)、硬橡胶辊(6)和两个热压辊(7)组成;短切辊(5)和硬橡胶辊(6)组成切割对辊,两个热压辊(7)组成热压对辊,缠绕在供料辊(3)上的连续纤维预浸料(1)从切割对辊的切割面和热压对辊热压面穿过后形成取向非连续纤维预浸料(2)缠绕在收料辊(4)上;在短切辊(5)的外圆柱面上有多排短切刀,其结构为下述形式之一:
(1)短切刀由平行于轴向成直线排列的直刀刃(5a)组成,每排短切刀中直刀刃(5a)的长度和相邻两个直刀刃(5a)的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排直刀刃(5a)的间距a=5mm~100mm,相邻两排直刀刃(5a)交错排列;直刀刃(5a)的径向高度不小于连续纤维预浸料(1)的厚度;
(2)短切刀(5a)是由平行于轴向的纵刀刃(5c)和垂直轴向的横刀刃(5b)组成的T字形切刀,刀刃(5c)成直线排列,每排短切刀中纵刀刃(5c)的长度和相邻两个纵刀刃(5c)的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排纵刀刃(5c)的间距a=5mm~100mm,相邻两排纵刀刃(5c)交错排列;纵刀刃(5c)的径向高度不小于连续纤维预浸料(1)的厚度;横刀刃(5b)的一端与纵刀刃(5c)相交,横刀刃(5b)的长度为a,横刀刃(5b)的径向高度与纵刀刃(5c)相同。
2.根据权利要求1所述的取向非连续纤维预浸料的设备,其特征在于:在供料辊(3)和切割对辊之间有一个由剥离辊(8)和收膜辊(9)组成的收膜机构,剥离辊(8)的辊面与连续纤维预浸料(1)的上表面接触,收膜辊(9)位于剥离辊(8)的上面,连续纤维预浸料(1)上表面的上剥离膜(11)绕过剥离辊(8)后收卷在收膜辊(9)上;在切割对辊和热压对辊之间有一个缠绕着上剥离膜(11)的放膜辊(10),上剥离膜(11)进入热压对辊的热压面与连续纤维预浸料本体热压为整体。
3.一种取向非连续纤维预浸料的制备设备,其特征在于:它由供料辊(3)、两个放胶膜辊(15)、两个预浸热压辊(12)、剥离辊(8)、收膜辊(9)、短切辊(5)、硬橡胶辊(6)、放膜辊(10)、两个热压辊(7)和收料辊(4)组成;两个预浸热压辊(12)组成预浸热压对辊,短切辊(5)和硬橡胶辊(6)组成切割对辊,两个热压辊(7)组成热压对辊;缠绕在供料辊(3)上的是连续纤维帘子布或连续纤维织物(14),两个放胶膜辊(15)位于供料辊(3)和预浸热压对辊之间,一个放胶膜辊(15)位于供料辊(3)和预浸热压对辊的上面,缠绕在位于上面的放胶膜辊(15)上的胶膜(13)与连续纤维帘子布或连续纤维织物(14)的上表面贴合,另一个放胶膜辊(15)位于供料辊(3)和预浸热压对辊的下面,缠绕在位于下面的放胶膜辊(15)上的胶膜(13)与连续纤维帘子布或连续纤维织物(14)的下表面贴合,连续纤维帘子布或连续纤维织物(14)与上下表面的胶膜(13)同时通过两个预浸热压辊(12)的热压面形成预浸料;由剥离辊(8)和收膜辊(9)组成收膜机构位于预浸热压对辊和切割对辊之间,剥离辊(8)的辊面与预浸料的上表面接触,收膜辊(9)位于剥离辊(8)的上面,预浸料上表面的上剥离膜(11)绕过剥离辊(8)后收卷在收膜辊(9)上;缠绕着上剥离膜(11)的放膜辊(10)位于切割对辊和热压对辊之间,上剥离膜(11)与预浸料的上表面贴合,同时进入热压对辊的热压面与预浸料热压为整体,形成取向非连续纤维预浸料(2)缠绕在收料辊(4)上;在短切辊(5)的外圆柱面上有多排短切刀,其结构为下述形式之一:
(1)短切刀由平行于轴向成直线排列的直刀刃(5a)组成,每排短切刀中直刀刃(5a)的长度和相邻两个直刀刃(5a)的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排直刀刃(5a)的间距a=5mm~100mm,相邻两排直刀刃(5a)交错排列;直刀刃(5a)的径向高度不小于连续纤维预浸料(1)的厚度;
(2)短切刀(5a)是由平行于轴向的纵刀刃(5c)和垂直轴向的横刀刃(5b)组成的T字形切刀,刀刃(5c)成直线排列,每排短切刀中纵刀刃(5c)的长度和相邻两个纵刀刃(5c)的间距均为b=10mm~200mm,相邻两排纵刀刃(5c)的间距a=5mm~100mm,相邻两排纵刀刃(5c)交错排列;纵刀刃(5c)的径向高度不小于连续纤维预浸料(1)的厚度;横刀刃(5b)的一端与纵刀刃(5c)相交,横刀刃(5b)的长度为a,横刀刃(5b)的径向高度与纵刀刃(5c)相同。
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