CN107262719A - 金属陶瓷制品制备方法及金属陶瓷制品 - Google Patents

金属陶瓷制品制备方法及金属陶瓷制品 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种金属陶瓷制品制备方法及金属陶瓷制品。其中，方法包括如下的步骤：在160‑200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2‑5h；根据所述混炼得到的液相金属陶瓷喂料，制备金属陶瓷熟坯；对所述金属陶瓷熟坯进行釉烧，得到金属陶瓷制品。本实施例提供的金属陶瓷制品，具有高韧性以及高外观性能，应用领域广泛。

Description

金属陶瓷制品制备方法及金属陶瓷制品
技术领域
本申请涉及材料领域，尤其涉及一种金属陶瓷制品制备方法及金属陶瓷制品。
背景技术
近年来，陶瓷材料以其较高的硬度和良好的电磁透过性能越来越多地应用于消费电子领域。然而，与金属、塑料等材料相比，陶瓷材料的韧性低，易破碎。
目前，为扩大陶瓷材料的应用范围，主要采用在陶瓷材料中引入金属相的方式提高陶瓷材料的韧性。陶瓷与金属复合后，得到的金属陶瓷材料相对于陶瓷而言，其韧性以及机械加工性能得到一定提升，但其材料表面光泽度较差，进而影响金属陶瓷材料在外观产品上的应用。
因此，如何兼顾金属陶瓷材料的韧性以及金属陶瓷制品表面的美观程度成为了亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种金属陶瓷制品制备方法及金属陶瓷制品，用以解决现有技术中不能兼顾金属陶瓷制品的韧性和表面的美观程度的缺陷。
本申请实施例提供一种金属陶瓷制品制备方法，包括：在160ˉ200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2ˉ5h；根据所述混炼得到的液相金属陶瓷喂料，制备金属陶瓷熟坯；对所述金属陶瓷熟坯进行釉烧，得到金属陶瓷制品。
进一步可选地，根据所述混炼得到的液相金属陶瓷喂料，制备金属陶瓷熟坯，包括：对所述混炼得到的液相金属陶瓷喂料注塑成型；对所述注塑成型得到的金属陶瓷生坯进行脱脂，以脱除有机粘结剂；对所述脱脂后的金属陶瓷生坯进行烧结，以得到金属陶瓷熟坯。
进一步可选地，对所述注塑成型得到的金属陶瓷生坯进行脱脂，以脱除有机粘结剂，包括：采用溶剂脱脂和热脱脂相结合的脱脂方法或催化脱脂的方法，脱除所述金属陶瓷生坯中的所述有机粘结剂；其中，所述溶剂脱脂所使用的溶剂包括：水、120号航空煤油、二溴丙烷、三氯乙烯、正庚烷、正己烷以及酒精。
进一步可选地，对所述脱脂后的金属陶瓷生坯进行烧结，以得到金属陶瓷熟坯，包括：在H2、N2或Ar的保护气氛下，采用600ˉ900℃的温度对所述金属陶瓷生坯进行30ˉ240min的预烧结；在H2、N2或Ar的保护气氛下，采用 1100ˉ1450℃的温度对所述预烧结后的金属陶瓷生坯进行2-6h的烧结，得到金属陶瓷熟坯。
进一步可选地，对所述金属陶瓷熟坯进行釉烧之前，还包括：在滚筒抛光机、振动抛光机、离心滚筒抛光机或木桶抛光机中，抛光所述金属陶瓷熟坯4ˉ12h；和/或,在浓度为0.1ˉ1.0mol/L的盐酸或硝酸溶液中，洗涤所述金属陶瓷熟坯2ˉ10h；和/或,采用酒精、甲苯、正庚烷或正己烷，冲洗所述金属陶瓷熟坯1ˉ10min。
进一步可选地，对所述金属陶瓷熟坯进行釉烧，得到金属陶瓷制品，包括：在所述金属陶瓷熟坯的表面涂覆浓度为10ˉ60vol％的低温釉料形成厚度为0.1ˉ0.5mm的低温釉料层，并通风干燥；在500ˉ900℃的温度下，对涂覆所述低温釉料层的金属陶瓷熟坯进行30ˉ240min的釉烧；在30ˉ200℃/h的冷却环境下，冷却所述釉烧后的金属陶瓷熟坯以得到所述金属陶瓷制品。
进一步可选地，所述金属陶瓷粉体的配比为：陶瓷粉体：25ˉ60vol％；金属粉体：5ˉ35vol％；有机粘结剂：35ˉ60vol％。
本申请实施例提供一种金属陶瓷制品，包括：由混炼得到的液相金属陶瓷喂料制备得到的金属陶瓷熟坯；以及附着于所述金属陶瓷熟坯表面上的釉层；其中，混炼过程为在160ˉ200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2ˉ5h。
进一步可选地，所述金属陶瓷喂料的配比为：陶瓷粉体：25ˉ60vol％；金属粉体：5ˉ35vol％；有机粘结剂：35ˉ60vol％。
进一步可选地，所述陶瓷粉体为二氧化锆、氧化铝、二氧化硅、氧化镁中的至少一种。
进一步可选地，所述金属粉体包括：铁粉、铜粉以及镍粉中至少一种。
本实施例中，在160ˉ200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2ˉ5h得到稳定液相的金属陶瓷复合喂料，使得金属粉末以及陶瓷粉末能够形成较为连续的结构，进而增加金属陶瓷材料的韧性。与此同时，制备得到金属陶瓷熟坯后，在样品的表面施釉得到金属陶瓷制品，进一步提升了金属陶瓷制品的表面光泽度以及耐污性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a是本申请实施例提供的一金属陶瓷制品制备方法的流程示意图；
图1b是本申请实施例提供的一种制备金属陶瓷熟坯方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一金属陶瓷制品的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1a是本申请实施例提供的一金属陶瓷制品制备方法的流程示意图。结合图1a，该方法包括：
步骤101、在160ˉ200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2ˉ5h。
步骤102、根据混炼得到的液相金属陶瓷喂料，制备金属陶瓷熟坯。
步骤103、对金属陶瓷熟坯进行釉烧，得到金属陶瓷制品。
针对步骤101，将陶瓷粉体、金属粉体、以及有机粘结剂放于混炼机。
其中，陶瓷粉体的体积分数约占金属陶瓷复合喂料体积分数的25％-60％，陶瓷粉体可由二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)中的至少一种组成。
金属粉体的体积分数占金属陶瓷复合喂料体积分数的5％ˉ35％，金属粉体可由铁粉、铜粉、镍粉中的至少一种组成。
有机粘结剂的体积分数约占金属陶瓷复合喂料体积分数的35％-60％，有机粘结剂主要由以下至少一种具有良好流动性的高分子混合物组成：聚甲醛 (Polyformaldehyde，POM)、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯酸酯、阿拉伯树胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、石蜡、蜂蜡、微晶石蜡、EBS蜡 (Ethylene-bissteramide，酰胺蜡)、棕榈蜡、邻苯二甲酸二辛酯、对苯二甲酸二辛酯、硬脂酸、硅烷偶联剂。
在本步骤中，通过在一定温度条件下对陶瓷粉体、金属粉体、以及有机粘结剂进行特定时长的混炼，使得陶瓷粉体、金属粉体以及有机粘结剂混合均匀，进而提高产品的力学性能，并得到无杂质的液相金属陶瓷复合喂料以便于后续的注塑成型。
针对步骤102，根据上一步骤混炼得到的液相金属陶瓷喂料，制备金属陶瓷熟坯。可选地，一种制备金属陶瓷熟坯的实施方式，如图1b所示，包括如下的步骤：
步骤1021：对混炼得到的液相金属陶瓷喂料注塑成型。
注塑成型是在一定温度下，利用高压将液相的喂料注射入模具型腔，经冷却固化后，得到成型品的方法。注塑成型能够根据不同形状的模具快速成型具有复杂形状的产品，且成型尺寸精确、结构均匀。
在采用注塑成型设备对液相的复合喂料注塑成型时，可通过控制注塑成型设备的参数，来控制成型出的生坯的结构以尺寸，不赘述。
步骤1022：对注塑成型得到的金属陶瓷生坯进行脱脂，以脱除有机粘结剂。
脱脂，即在脱脂炉中，将金属陶瓷生坯中的有机粘结剂脱除，具体的脱脂的方法可根据有机粘结剂的种类不同而适应性选择。
对于主要成分是POM的有机粘结剂，可以选用催化脱脂的方法。
对于主要是成分是蜡、聚丙烯等有机物的有机粘结剂，可采用溶剂脱脂和热脱脂相结合的方法。其中，所述溶剂脱脂所使用的溶剂包括：水、120 号航空煤油、二溴丙烷、三氯乙烯、正庚烷、正己烷或酒精。热脱脂要在保护气氛下进行，以降低金属陶瓷生坯中的金属与空气中的氧气反应。
可选的，催化脱脂和溶剂脱脂可在较低的温度下进行，从而可在短时间内脱除金属陶瓷生坯中大部分的有机粘结剂，提升加工效率。
步骤1023：对脱脂后的金属陶瓷生坯进行烧结，以得到金属陶瓷熟坯。
本实施例的烧结步骤可由预烧结以及烧结两个步骤组成。预烧结和烧结的过程可以在同一个烧结炉中进行，以提升加工效率。
预烧结时，可在烧结炉中通入H2、N2或Ar保护气氛，在1ˉ20h内，将烧结炉的炉温升高至600ˉ900℃。将金属陶瓷生坯在上述温度中进行30ˉ240min 的预烧结。
通过执行预烧结过程，可以使得金属陶瓷生坯中的金属粉体以及陶瓷粉体初步粘结在一起，使金属陶瓷生坯具有一定的力学强度。
烧结时，在H2、N2或Ar的保护气氛下，在10ˉ40h，将烧结炉的炉温升高至1100ˉ1450℃。将预烧结后的金属陶瓷生坯进行2-6h的烧结。烧结完成后随炉冷却至室温，得到金属陶瓷熟坯。
通过执行烧结过程，可以使得金属陶瓷生坯中的金属粉体形成连续的相，同时将金属粉体以及陶瓷粉体烧结在一起，以获得具有高强度，高韧性的材料。
针对步骤103，对金属陶瓷产品进行釉烧，可首先在金属陶瓷熟坯的表面涂覆浓度为10ˉ60vol％的低温釉料形成厚度为0.1ˉ0.5mm的低温釉料层，并通风干燥。该低温釉料的熔点在560℃-900℃，进而可以减少在釉烧过程中金属陶瓷熟坯表面金属的氧化。釉料涂覆的方法可采用喷涂、淋釉或浸泡等方法，具体视金属陶瓷熟坯的形状以及需求而定。
通风干燥后，将涂覆低温釉料层的金属陶瓷熟坯放于烧结炉中，在1-10h 内升温至500-900℃，保温30-240min以进行30ˉ240min的釉烧。釉烧后，以30-200℃/h的速度将釉烧后的金属陶瓷熟坯快速冷却至室温，得到金属陶瓷制品。
通过执行釉烧的过程，可以使得涂敷的釉料加热熔化后固着在金属陶瓷熟坯表面，形成一釉层，从而赋予产品良好的表面性能。由于釉料颜色丰富，光泽度良好，使得制备出的金属陶瓷制品具有良好的外观，进一步扩大金属陶瓷制品的应用范围。
本实施例中，在160ˉ200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2ˉ5h得到稳定液相的金属陶瓷复合喂料，使得金属粉末以及陶瓷粉末能够形成较为连续的结构，进而增加金属陶瓷材料的韧性。与此同时，制备得到金属陶瓷熟坯后，在样品的表面施釉得到金属陶瓷制品，进一步提升了金属陶瓷制品的表面光泽度以及耐污性能。
在本申请的上述实施例中，可选的，对金属陶瓷熟坯进行釉烧之前，还可对金属陶瓷熟坯进行进一步的表面处理。例如，可以对金属陶瓷熟坯进行抛光、酸洗以及清洗以得到更好的表面性能。
对金属陶瓷熟坯进行抛光，可以在滚筒抛光机、振动抛光机、离心滚筒抛光机或木桶抛光机中，抛光所述金属陶瓷熟坯4ˉ12h。执行抛光操作可以去除金属陶瓷熟坯表面的毛刺、凹凸不平等缺陷，改善表面质量。
抛光后，可以在浓度为0.1ˉ1.0mol/L的盐酸或硝酸溶液中，洗涤所述金属陶瓷熟坯2ˉ10h。抛光之前，首先用治具装配好待酸洗的金属陶瓷熟坯，以保护金属陶瓷熟坯的内表面，不让其暴露在酸洗液中。然后将装配好的金属陶瓷熟坯置于酸溶液中进行酸洗。执行酸洗操作可以在金属陶瓷熟坯的表面腐蚀出微小的空洞，一方面是可以改善产品的外观，另一方面是可以提高后续施釉时釉料的附着力。
酸洗之后，为了清除金属陶瓷熟坯上残存的酸液，可以采用酒精、甲苯、正庚烷或正己烷，冲洗所述金属陶瓷熟坯1ˉ10min。本步骤选用上述冲洗溶剂，可避免冲洗溶剂与金属陶瓷熟坯中的陶瓷或金属发生反应，同时上述冲洗溶剂易挥发，提高材料的干燥效率。
为进一步理解本申请实施例的技术方案，下面结合具体实施例对本申请实施例提供的金属陶瓷制品制备方法进行详细说明，但本申请技术方案的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
步骤S110、将特定配比的金属粉体，陶瓷粉体以及有机粘结剂放置于混炼机中进行混炼。其中，具体的混炼条件设置如下表1中记载。
表1
步骤S111、将金属陶瓷复合喂料放于注塑机中，设定工艺参数，将金属陶瓷复合喂料注射到模具型腔中；冷却一段时间后，得到金属陶瓷生坯。
步骤S112、将成型的金属陶瓷生坯放于脱脂炉中，在保护性气氛下，使用酒精脱脂和热脱脂结合的方法脱除金属陶瓷生坯中的蜡和聚丙烯等有机粘结剂。
步骤S113、将脱脂后的金属陶瓷生坯放入烧结炉中，在烧结炉中通入N2作为保护性气氛，在3h内将烧结炉的炉温提升至600℃后，保温120min，对脱脂后的金属陶瓷生坯进行预烧结。
步骤S114、在烧结炉中通入Ar作为保护性气氛，在12h内，将炉温提升至 1100℃。升温至1100℃后，保持炉温以对预烧结后的金属陶瓷生坯进行烧结。在5h后，后随炉冷却至室温，得到金属陶瓷熟坯。
步骤S115、将金属陶瓷熟坯放入滚筒抛光机中抛光4h。
步骤S116、用治具装配好抛光后的金属陶瓷熟坯，放入浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中5h，进行酸洗。
步骤S117、从盐盐酸溶液中取出金属陶瓷熟坯，用酒精冲洗2min后，置于通风处干燥。
步骤S118、将熔点为560℃、浓度为10vol％的低温釉料喷涂在金属陶瓷熟坯表面上形成厚度为0.1mm的低温釉料层。
步骤S119、将涂敷釉料的金属陶瓷熟坯放于烧结炉中，在2h内升温至500℃。保温30min后,然后以50℃/h的冷却速度快速冷却至室温，得到金属陶瓷样品1。
实施例2
步骤S210、将特定配比的金属粉体，陶瓷粉体以及有机粘结剂放置于混炼机中进行混炼。其中，具体的混炼条件设置如下表2中记载。
表2
步骤S211、将金属陶瓷复合喂料放于注塑机中，设定工艺参数，将金属陶瓷复合喂料注射到模具型腔中；冷却一段时间后，得到金属陶瓷生坯。
步骤S212、将成型的金属陶瓷生坯放于脱脂炉中，在保护性气氛下，使用酒精脱脂和热脱脂结合的方法脱除金属陶瓷生坯中的蜡和聚丙烯等有机粘结剂。
步骤S213、将脱脂后的金属陶瓷生坯放入烧结炉中，在烧结炉中通入Ar作为保护性气氛，在5h内将烧结炉的炉温提升至900℃后，保温30min，对脱脂后的金属陶瓷生坯进行预烧结。
步骤S214、在烧结炉中通入Ar作为保护性气氛，在20h内，将炉温提升至1450℃。升温至1450℃后，保持炉温以对预烧结后的金属陶瓷生坯进行烧结。在2h后，后随炉冷却至室温，得到金属陶瓷熟坯。
步骤S215、将金属陶瓷熟坯放入滚筒抛光机中抛光5h；
步骤S216、用治具装配好抛光后的金属陶瓷熟坯，放入浓度为0.5mol/L的硝酸溶液中2h，进行酸洗。
步骤S217、从硝酸溶液中取出金属陶瓷熟坯，用甲苯溶液冲洗5min后，置于通风处干燥。
步骤S218、将熔点为900℃、浓度为10vol％的低温釉料喷涂在金属陶瓷熟坯表面上形成厚度为0.1mm的低温釉料层。
步骤S219、将涂敷釉料的金属陶瓷熟坯放于烧结炉中，在2h内升温至900℃。保温50min后,然后以200℃/h的冷却速度快速冷却至室温，得到金属陶瓷样品 2。
分别对实施例1制备出的金属陶瓷第一批样品以及实施例2制备出的第二批金属陶瓷样品进行性能测试。
性能测试内容包括：在不同高度下，使得样品1和样品2自由落体式跌落至大理石面板上，以用跌落后的断裂率测试样品的韧性；用肉眼以及光学显微镜放大50倍观察样品1和样品2的表面，以测试样品的外观性能；用光泽计以 20°为测量角，测量样品1和样品2的镜面光泽；测量样品1和样品2的尺寸误差，以测试加工精度。测试结果详见表3：
表3
由表3可知，本申请实施例制备的金属陶瓷制品加工精度高，在跌落时下，其断裂率低，韧性高；与此同时，本申请实施例制备的金属陶瓷制品外观无明显凹坑或凸起，光泽度较高且光泽度均匀。
图2是本申请实施例提供的一金属陶瓷制品的结构示意图，如2所示金属陶瓷制品可采用上述实施例提供的制备方法制备得到，但不限于上述方法。
如图2所示，该金属陶瓷制品包括：由混炼得到的液相金属陶瓷喂料制备得到的金属陶瓷熟坯201；以及附着于所述金属陶瓷熟坯表面上的釉层202。其中，混炼过程为在160ˉ200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2ˉ5h。
进一步可选地，金属陶瓷喂料的配比为：陶瓷粉体：25ˉ60vol％；金属粉体：5ˉ35vol％；有机粘结剂：435ˉ60vol％。
进一步可选地，陶瓷粉体为二氧化锆、氧化铝、二氧化硅、氧化镁中的至少一种。
进一步可选地，金属粉体包括：铁粉、铜粉以及镍粉中至少一种。
本实施例提供的金属陶瓷制品，尺寸精度高、韧性高、表面光泽度良好且外观色彩丰富，应用领域非常广泛。相对于金属、塑料等材质成型的产品，本实施例提供的金属陶瓷制品具有更好的外观和电磁透过性能，相对于陶瓷产品，本实施例提供的金属陶瓷制品具有更高的韧性和表面耐脏污性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种金属陶瓷制品制备方法，其特征在于，包括：
在160-200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2-5h；
根据所述混炼得到的液相金属陶瓷喂料，制备金属陶瓷熟坯；
对所述金属陶瓷熟坯进行釉烧，得到金属陶瓷制品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述混炼得到的液相金属陶瓷喂料，制备金属陶瓷熟坯，包括：
对所述混炼得到的液相金属陶瓷喂料注塑成型；
对所述注塑成型得到的金属陶瓷生坯进行脱脂，以脱除有机粘结剂；
对所述脱脂后的金属陶瓷生坯进行烧结，以得到金属陶瓷熟坯。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述注塑成型得到的金属陶瓷生坯进行脱脂，以脱除有机粘结剂，包括：
采用溶剂脱脂和热脱脂相结合的脱脂方法或催化脱脂的方法，脱除所述金属陶瓷生坯中的所述有机粘结剂；
其中，所述溶剂脱脂所使用的溶剂包括：水、120号航空煤油、二溴丙烷、三氯乙烯、正庚烷、正己烷以及酒精。
4.根据权利要2所述的方法，其特征在于，对所述脱脂后的金属陶瓷生坯进行烧结，以得到金属陶瓷熟坯，包括：
在H2、N2或Ar的保护气氛下，采用600-900℃的温度对所述金属陶瓷生坯进行30-240min的预烧结；
在H2、N2或Ar的保护气氛下，采用1100-1450℃的温度对所述预烧结后的金属陶瓷生坯进行2-6h的烧结，得到金属陶瓷熟坯。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述金属陶瓷熟坯进行釉烧之前，还包括：
在滚筒抛光机、振动抛光机、离心滚筒抛光机或木桶抛光机中，抛光所述金属陶瓷熟坯4-12h；
在浓度为0.1-1.0mol/L的盐酸或硝酸溶液中，洗涤所述金属陶瓷熟坯2-10h；
采用酒精、甲苯、正庚烷或正己烷，冲洗所述金属陶瓷熟坯1-10min。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，对所述金属陶瓷熟坯进行釉烧，得到金属陶瓷制品，包括：
在所述金属陶瓷熟坯的表面涂覆浓度为10-60vol％的低温釉料形成厚度为0.1-0.5mm的低温釉料层，并通风干燥；
在500-900℃的温度下，对涂覆所述低温釉料层的金属陶瓷熟坯进行30-240min的釉烧；
在30-200℃/h的冷却环境下，冷却所述釉烧后的金属陶瓷熟坯以得到所述金属陶瓷制品。
7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述金属陶瓷粉体的配比为：
陶瓷粉体：25-60vol％；
金属粉体：5-35vol％；
有机粘结剂：35-60vol％。
8.一种金属陶瓷制品，其特征在于，包括：
由混炼得到的液相金属陶瓷喂料制备得到的金属陶瓷熟坯；以及
附着于所述金属陶瓷熟坯表面上的釉层；
其中，混炼过程为在160-200℃的温度下，混炼金属陶瓷粉体2-5h。
9.根据权利要求8所述的金属陶瓷制品，其特征在于，所述金属陶瓷喂料的配比为：
陶瓷粉体：25-60vol％；
金属粉体：5-35vol％；
有机粘结剂：35-60vol％。
10.根据权利要求9所述的金属陶瓷制品，其特征在于，所述陶瓷粉体为二氧化锆、氧化铝、二氧化硅、氧化镁中的至少一种。
11.根据权利要求9或10所述的金属陶瓷制品，其特征在于，所述金属粉体包括：铁粉、铜粉以及镍粉中至少一种。
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