CN103252946B - 一种工件及其制备方法以及一种包括所述工件的电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种工件包括:第一面层;夹芯层,设置在所述第一面层下方;第二面层,设置在所述夹芯层下方;其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成。本发明提供的工件重量轻、且厚度较薄具有良好的机械性能。本发明还提供了一种工件的制备方法以及包含所述工件的电子设备。

Description

一种工件及其制备方法以及一种包括所述工件的电子设备
技术领域
本发明涉及复合材料及其制备领域,具体涉及一种工件及其制备方法以及一种包括所述工件的电子设备。
背景技术
目前,市场对笔记本电脑等便携电子设备的轻薄化需要越来越高,因此对于笔记本等便携电子设备外壳的设计也提出了更高的要求。众所周知,材料越薄,能承受的剪切力、拉力和压力就越小。为了使笔记本等移动终端的外壳既轻薄,又具有很好的机械性能,如抗压、抗拉性能,必须要使用拉伸强度和弯曲强度较高的材料,例如,碳纤维、玻璃纤维等。
碳纤维是有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔性和可加工性,是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,碳纤维的杨氏模量是其3倍多。与凯芙拉纤维(KF-49)相比,碳纤维不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐腐蚀。正是由于碳纤维的诸多优点,其被广泛应用于汽车、电子、纺织、军工、运动器材等领域。
目前常用的笔记本电脑等移动电子设备的外壳材料主要有以下几种:1)PC/ABS+15%滑石粉配方塑料:密度1.3g/cm3,可实现最小厚度1.8mm;2)尼龙+50%玻璃纤维配方塑料:密度1.7g/cm3,可实现最小厚度1.3mm;3)镁铝合金,铝合金:密度2.4g/cm3,可实现最小厚度0.8mm;4)钛合金:密度4.5g/cm3,可实现最小厚度0.5mm;5)碳纤维复合材料(不计塑胶双射边框部分):密度1.65g/cm3,可实现最小厚度0.6mm。上述5种材料中,前4种材料制备的外壳厚度越来越薄,但是密度却越来越大,增加了外壳的重量,无法满足外壳既轻又薄的要求。而第5种碳纤维材料虽然能够满足外壳既轻又薄的要求,但是密度还是较大,而且碳纤维材料较贵,增加了外壳的加工成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种重量轻、且厚度较薄具有良好机械性能的工件及其制备方法,以及一种使用所述工件的电子设备。
为了解决以上技术问题,本发明提供了一种工件,包括:
第一面层;
夹芯层,设置在所述第一面层下方;
第二面层,设置在所述夹芯层下方;
其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成。
优选的,所述第一材料的刚度大于所述第二材料的刚度。
优选的,所述第二材料中的微孔为闭合微孔。
优选的,所述第一材料为碳纤维,所述第二材料为泡沫塑料
本发明还提供了一种工件,包括:
第一面层;
夹芯层,设置在所述第一面层下方;
第二面层,设置在所述夹芯层下方;
其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成;
所述工件的密度小于等于1g/cm3
本发明还提供了一种工件的制备方法,包括:
a)取至少两层预浸带叠放在模具中形成第一预制件;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;
b)将第二材料形成的片材置于所述第一预制件表面,得到第二预制件;
c)将至少两层预浸带叠放在所述第二预制件表面,得到第三预制件;
d)闭合模具,将所述第三预制件热压成型;所述第二材料形成的片材形成夹芯层;位于夹芯层下方的至少两层预浸带形成第一面层;位于所述夹芯层上方的至少两层预浸带形成第二面层。
优选的,步骤a)具体为:
取至少两层预浸带叠放在模具中形成第一预制件;所述相邻两预浸带中纤维状第一材料垂直排列。
优选的,所述第一材料为纤维;所述第二材料为泡沫塑料。
本发明还提供了一种电子设备,包括:
电子元器件;
壳体,所述电子元器件固定设置在所述壳体内;所述壳体包括:
第一面层;
夹芯层,设置在所述第一面层下方;
第二面层,设置在所述夹芯层下方;
其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成。
优选的,所述第一材料为纤维;所述第二材料为泡沫塑料。
本发明提供了一种工件,包括两面层和一夹芯层,其中所述面层由预浸带组成,所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成,所述夹芯层由具有微孔的第二材料组成。由于本发明提供的工件是夹芯结构,第一材料预浸热固性树脂后形成的预浸带具有高强度,所以第一面层与第二面层承受外界施予的压力和拉力,夹芯层由第二材料组成,所述第二材料中包括大量微孔,能够降低整体工件的密度,减轻整个材料的重量。而微孔结构也能够提高材料的抗拉和抗压能力,而通过实验证明,本发明提供的工件厚度为0.70~1mm,所以本发明提供的工件质轻、厚度较薄,且具有很好的机械性能。
本发明还提供了一种工件的制备方法,a)取至少两层预浸带叠放在模具中形成第一预制件;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;b)将第二材料形成的片材置于所述第一预制件表面,得到第二预制件;c)将至少两层预浸带叠放在所述第二预制件表面,得到第三预制件;d)闭合模具,将所述第三预制件热压成型;所述第二材料形成的片材形成夹芯层;位于夹芯层下方的至少两层预浸带形成第一面层;位于所述夹芯层上方的至少两层预浸带形成第二面层。本发明提供的制备方法使用热压发,将工件一次成型,不需要使用其他步骤,过程控制容易,适合大规模工业化生产。
附图说明
图1物体受外力时的受力分析示意图;
图2本发明实施例提供的工件的横截面示意图;
图3本发明实施例提供的工件的横截面示意图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明,下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明的目的是提供一种轻质、厚度较薄且具有较好机械性能的工件。所述工件包括:
第一面层;
夹芯层,设置在所述第一面层下方;
第二面层,设置在所述夹芯层下方;
其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成。
众所周知在物体受到外界压力时,所述物体的每个部位的受力方向如图1所示,在压力1的作用下,所述物体的上表面受到向内的压缩力2,下表面受到方向由法线方向向外的拉伸力3,以及沿法线方向受到的剪切力4。而压缩力2造成的形变由物体的拉伸模量(弹性模量)衡量,拉伸力3造成的形变由物体的柔性模量(弯曲模量)衡量。所述拉伸模量是指当有力施加于物体或物质时,其弹性变形(非永久变形)趋势的数学描述。物体的弹性模量定义为弹性变形区的应力-应变曲线的斜率:
λ = d e f s t r e s s s t r a i n - - - ( I )
其中λ是弹性模量,stress(应力)是引起受力区变形的力,strain(应变)是应力引起的变化与物体原始状态的比。应力的单位是帕斯卡,应变是没有单位的(无量纲的),那么λ的单位也是帕斯卡。
弯曲模量是指有力施加于物体或物质时,其弯曲变形(非永久变形)趋势的数学描述,物体的弯曲模量定义为弯曲变形区的应力-应变曲线的斜率:
E ( b e n d ) = L 3 F 4 wh 3 d - - - ( I I )
其中E为弯曲模量,在一个简支梁上做挠度测试,如果w和h是梁的宽度和长度,则L为梁两侧的厚度,F为外加力,d为由于F作用而发生的形变。通过上述两个关系式就可以得到材料的受力状况,以及机械性能。
本发明提供的工件也使用上述受力规则。由于本发明提供的工件为夹芯结构,所以在受到压力作用时,第一面层主要受压缩力作用,第二面层主要受拉伸力作用,而夹芯层主要收到沿法线方向的剪切力作用,将压力分解,通过3层不同的结构释放所述压力,提高了工件的机械性能。
只有能够释放压力的结构并不能满足工件对机械性能的要求,还必须从材料本身入手。按照本发明,所述第一面层与第二面层分别由至少两层预浸带制成,而所述预浸带是由预浸热固性树脂的第一材料干燥后得到的。按照本发明,所述第一材料优选为具有较强抗拉和抗压强度的材料,更优选为纤维材料或树脂材料,最优选为碳纤维。碳纤维是有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔性和可加工性,是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,碳纤维的杨氏模量是其3倍多。与凯芙拉纤维(KF-49)相比,碳纤维不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐腐蚀。将所述碳纤维预浸热固性树脂后,按照一定的方向进行排列,干燥后得到预浸带。所述预浸带的大小规格本发明不做限定。然后将所述预浸带叠放。按照本发明,所述一定的排列方向优选为平行排列,由于第一面层和第二面层中分别至少由两条预浸带,按照本发明,所述相邻两预浸带中碳纤维的排列方向优选为互相垂直,而所述第一面层中的碳纤维与第二面层中的碳纤维呈60°~120°排列。这样做的目的是为了使碳纤维形成网状结构,增加第一面层和第二面层的强度。本法明还可以在最上方碳纤维上覆盖编织布,可以使所述第一面层或第二面层具有编织布效果。按照本发明,所述碳纤维优选使用日本三菱TR50S12L(24T)或HR4012M(40T)。所述热固性树脂优选为环氧树脂。
按照本发明,所述第二材料优选为含有若干微孔的泡沫塑料,且所述微孔优选为闭孔。优选为聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)等泡沫,其中PS和PUR泡沫通常仅作为浮力材料,而不是结构用途。目前PVC泡沫已几乎完全代替PUR泡沫而作为结构芯材。最优选为聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)。聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫塑料是一种轻质、闭孔的硬质泡沫塑料。具有良好的力学性能、热变形温度和化学稳定性。按照本发明,所述PMI优选使用EvonikIG系列PMI泡沫,厚度1mm。泡沫裁剪面积同A面设计平面面积。
按照本发明,所述工件由上述两种材料制成,而以第一面层和第二面层分别由两层预浸带制备为例,第一面层和第二面层的总厚度为0.5mm~0.6mm,而夹芯层厚度为0.2~0.4mm。所以工件的总厚度为0.70~1mm。而由于添加了PMI,降低了工件的整体密度,减轻了重量。
按照本发明,所述工件的密度小于等于1g/cm3。更优选为0.8~1g/cm3,所以本发明提供的工件可以漂浮在水面,可见其重量可以满足本发明的目的。图2为本发明提供的工件的横截面示意图,其受压情况下发生弯曲变形,包括第一面层S3、夹芯层S2和第二面层S1。
本发明还提供了一种工件的制备方法,优选为本发明提供的工件的制备方法:包括:
a)取至少两层预浸带叠放在模具中形成第一预制件;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;
b)将第二材料形成的片材置于所述第一预制件表面,得到第二预制件;
c)将至少两层预浸带叠放在所述第二预制件表面,得到第三预制件;
d)闭合模具,将所述第三预制件热压成型;所述第二材料形成的片材形成夹芯层;位于夹芯层下方的至少两层预浸带形成第一面层;位于所述夹芯层上方的至少两层预浸带形成第二面层。
按照本发明,取至少两层预浸带叠放在模具中形成第一预制件;所述相邻两预浸带中纤维状第一材料垂直排列。
以碳纤维和PMI为例制备所述工件时:所述碳纤维为本领域人员熟知的方法制备的碳纤维,将碳纤维优选平行排列预浸热固性树脂后干燥,得到所述预浸带。所以所述预浸带中的碳纤维为单向的,而为了增加强度,所以相邻两预浸带中碳纤维的方向互相垂直。本发明采用热压法一次使工件一次成型,热压使用的模具的上下模预先涂覆有脱模剂,所述脱模剂优选为硅油类脱模剂。然后将所述模具在100℃~150℃下预热5分钟。将所述第一预制件置于所述模具中,如果所述工件由裙边,那需要在裙边的位置留足预浸带以便成型。
将第二材料形成的片材置于所述第一预制件表面,得到第二预制件;所述第二材料优选为PMI所述材料厚度1mm。可在PMI上下表面涂覆粘合剂。所述粘结剂为环氧粘结剂。
然后再将至少两层预浸带置于PMI泡沫上,具体工艺如第一预制件的制备方法所示。得到第三预制件。
合模并逐步升高模温,热压第三预制件。模具内腔高度优选为0.75-1mm。当模温到达220~270℃后,保温保压15~30min(根据设计情况定)。热固性树脂随后在模内固化。PMI形成夹芯结构,四周裙边由四层碳纤维预浸带层叠而成。按照本发明热压操作的压力不能过大,也不能过小,优选的所述热压压力为0~25kgf/cm2,因为PMI为闭孔硬质泡沫塑料,如果热压时压力过大,会把PMI中的微孔挤破,增加了PMI和整体工件的密度,不能达到降低密度和减轻质量的目的。降低了工件的性能。
按照本发明,保压过程中会将PMI泡沫进行一定压缩,以四层碳纤维单向带共0.5mm计算,压缩后如整体厚度为0.7~1mm,则PMI泡沫厚度0.2~0.5mm时,所述工件的密度小于等于1g/cm3。更优选为0.8~1g/cm3
由于本发明提供的是工件为多层结构,各个层使用的材料均不相同受力类型也不同,在加工热成型时,不同的材料具有不同的线性热膨胀系数,热膨胀系数越大,其在高温下的形变就越快。本发明中由于夹心层使用了具有若干微孔的第二材料,所以所述夹心层的线性热膨胀系数比第一面层和第二面层中的第一材料和树脂组合物要大,为了使复合材料在加工过程中,夹心层热膨胀过快而发生卷曲、断裂、翻边,必须使用与其线性热膨胀系数相匹配的树脂组合物。按照本发明,所述树脂组合物优选为环氧树脂,更优选为双酚A型环氧树脂。
按照本发明,所述夹心层的线性热膨胀系数远大于所述第一面层和第二面层如碳纤维的线性热膨胀系数,在200℃温度下为碳纤维的线性热膨胀系数为0×10-6/K,室温时为负数(-0.5~-1.6)×10-6/K。用来预浸碳纤维的树脂组合物,如环氧树脂的线性热膨胀系数根据组分的不同差异性很大,需要通过调整树脂组合物配方和组分与面层的线性热膨胀系数相匹配。按照本发明,所述树脂组合物的线性热膨胀系数优选为20~50×10-6/K,使用具有该线性热膨胀系数的树脂聚合物,能够保证预浸所述树脂聚合物后的第一材料形成的第一面层和第二面层与具有第二材料形成的夹芯之间具有线性热膨胀系数的过度,使得在热成型加工时,树脂组合物能够调节夹心层和第一面层和第二面层的膨胀速率,使夹芯层膨胀速度减慢。如果模具中有倒角时,成型过程中所述第一面层和第二面层与所述夹芯层按照模具中的倒角的位置与角度成型,即所述第一面层和第二面层按照模具中形状成型的第一形状和所述面层按照模具中形状成型的第二形状一致,得到具有一定形状的工件,且所述工件在倒角处不发生卷曲、翻边或断裂等问题。另外,在成型后所述第一面层和第二面层的刚度大于所述夹心层的刚度,使所述第二面层和第二面层能够更好的起到支撑和保护的作用。
本发明还提供了一种电子设备,包括:
电子元器件;
壳体,所述电子元器件固定设置在所述壳体内;所述壳体包括:
第一面层;
夹芯层,设置在所述第一面层下方;
第二面层,设置在所述夹芯层下方;
其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成。
按照本发明,所述电子设备的壳体由所述工件制备,而第一面层优选为碳纤维预浸环氧树脂形成的预浸带制成,夹芯层优选由PMI泡沫制备。按照本发明,所述电子设备可以是笔记本电脑,也可以是平板电脑、手机或其他移动终端。
以下为本发明实施例,其中所述碳纤维使用的原丝为:日本三菱TR50S12L(24T)或HR4012M(40T)。夹心材料选取EvonikIG系列PMI泡沫,厚度1mm。泡沫裁剪面积同A面设计平面面积。
实施例1
将日本三菱TR50S12L(24T)预浸环氧树脂后,形成单向预浸带,将两层所述单向预浸带置于模具中得到第一预制件。预先在所述模具中涂覆水性甲基硅油,且在100℃下预热了5分钟。将厚度为1mm的所述EvonikIGPMI泡沫置于所述第一预制件上,得到第二预制件,然后再取两层所述单向预浸带置于所述第二预制件表面,得到第三预制件。合模热压所述第三预制件,逐渐升温至250℃,压力为0kgf/cm2,保温保压15min,脱模得到笔记本外壳如图3所示。包括第二面层S1、夹心层S2、第一面层S3。其中所述裙边位置由4层预浸带组成。
经过检测,本实施例制备的笔记本外壳中心厚度D为0.75mm,裙边位置厚度d为0.5mm。密度为1g/cm3
实施例2
将日本三菱HR4012M(40T)预浸环氧树脂后,形成单向预浸带,将两层所述单向预浸带置于模具中得到第一预制件。预先在所述模具中涂覆水性甲基硅油,且在120℃下预热了5分钟。将厚度为1mm的所述EvonikIGPMI泡沫置于所述第一预制件上,得到第二预制件,然后再取两层所述单向预浸带置于所述第二预制件表面,得到第三预制件。合模热压所述第三预制件,逐渐升温至250℃,压力为25kgf/cm2,保温保压30min,脱模得到笔记本外壳。
经过检测,本实施例制备的笔记本外壳中心厚度为0.75mm,裙边位置厚度为0.5mm。密度为1g/cm3
实施例3
将日本三菱HR4012M(40T)预浸环氧树脂后,形成单向预浸带,将两层所述单向预浸带置于模具中得到第一预制件。预先在所述模具中涂覆水性甲基硅油,且在120℃下预热了5分钟。将厚度为1mm的所述EvonikIGPMI泡沫置于所述第一预制件上,得到第二预制件,然后再取两层所述单向预浸带置于所述第二预制件表面,得到第三预制件。合模热压所述第三预制件,逐渐升温至250℃,压力为10kgf/cm2,保温保压15min,脱模得到笔记本外壳。
经过检测,本实施例制备的笔记本外壳中心厚度为0.85mm,裙边位置厚度为0.5mm。密度为0.95g/cm3
实施例4
将日本三菱HR4012M(40T)预浸环氧树脂后,形成单向预浸带,将两层所述单向预浸带置于模具中得到第一预制件。预先在所述模具中涂覆水性甲基硅油,且在120℃下预热了5分钟。将厚度为1mm的所述EvonikIGPMI泡沫置于所述第一预制件上,得到第二预制件,然后再取两层所述单向预浸带置于所述第二预制件表面,得到第三预制件。合模热压所述第三预制件,逐渐升温至250℃,压力为15kgf/cm2,保温保压15min,脱模得到笔记本外壳。
经过检测,本实施例制备的笔记本外壳中心厚度为1mm,裙边位置厚度为0.5mm。密度为1g/cm3
比较例1
全部使用碳纤维预浸带制备笔记本外壳,制备方法如实施例1所示,制备后得到的笔记本外壳密度为1.6g/cm3
比较例2
通过电脑模拟测试,同厚度,同刚度的镁铝合金部件,密度为2.4g/cm3
通过实施例1~4与比较例1和比较例2的对比,本发明提供工件密度降低,且重量比同刚度同厚度的镁铝合金降低58%。
以上对本发明提供的一种工件及其制备方法以及一种包括所述工件的电子设备进行了详细的介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种工件,其特征在于,由以下结构组成:
第一面层;
夹芯层,设置在所述第一面层下方;
第二面层,设置在所述夹芯层下方;
其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成;所述第二材料为聚甲基丙烯酰亚胺;
所述第一材料为碳纤维;所述预浸带中碳纤维的排列方向为平行排列,每一面层中相邻两预浸带中碳纤维的排列方向为互相垂直;所述第一面层中最靠近夹芯层的预浸带中碳纤维的排列方向与所述第二面层中最靠近夹芯层的预浸带中碳纤维的排列方向之间的角度为60°~120°;
所述工件的密度小于或等于1g/cm3
所述夹芯层的厚度为0.2~0.4mm,所述工件的厚度为0.7~1mm;
在制备所述工件时,热压压力为0~25kgf/cm2,热压温度为220~270℃,保温保压时间为15~30min。
2.根据权利要求1所述的工件,其特征在于,所述第一材料的刚度大于所述第二材料的刚度。
3.根据权利要求1所述的工件,其特征在于,所述第二材料中的微孔为闭合微孔。
4.一种如权利要求1~3任一项所述的工件的制备方法,其特征在于,包括:
a)取至少两层预浸带叠放在模具中形成第一预制件;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;
b)将第二材料形成的片材置于所述第一预制件表面,得到第二预制件;
c)将至少两层预浸带叠放在所述第二预制件表面,得到第三预制件;
d)闭合模具,将所述第三预制件热压成型;所述第二材料形成的片材形成夹芯层;位于夹芯层上方的至少两层预浸带形成第一面层;位于所述夹芯层下方的至少两层预浸带形成第二面层。
5.一种电子设备,其特征在于,包括:
电子元器件;
壳体,所述电子元器件固定设置在所述壳体内;所述壳体包括:
第一面层;
夹芯层,设置在所述第一面层下方;
第二面层,设置在所述夹芯层下方;
其中,所述第一面层和所述第二面层分别由至少两层预浸带形成;所述预浸带由预浸有热固性树脂的第一材料干燥形成;所述夹芯层由具有若干微孔的第二材料形成;所述第二材料为聚甲基丙烯酰亚胺;
所述第一材料为碳纤维;所述预浸带中碳纤维的排列方向为平行排列,每一面层中相邻两预浸带中碳纤维的排列方向为互相垂直;所述第一面层中最靠近夹芯层的预浸带中碳纤维的排列方向与所述第二面层中最靠近夹芯层的预浸带中碳纤维的排列方向之间的角度为60°~120°;
所述工件的密度小于或等于1g/cm3
所述夹芯层的厚度为0.2~0.4mm,所述工件的厚度为0.7~1mm;
在制备所述工件时,热压压力为0~25kgf/cm2,热压温度为220~270℃,保温保压时间为15~30min。
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