CN109207123B - 一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料及制备方法,所述复合吸波材料为双壳层核壳结构,内核为羰基铁粉,双壳层的内层为绝缘层,外层为磁性层;所述绝缘层的厚度为1nm‑1μm;磁性层的厚度为1nm‑5μm。其制备方法包括采用化学共沉淀法在羰基铁粉表面包覆绝缘层及在核壳结构前躯体表面包覆磁性层。本发明通过化学共沉淀法在羰基铁粉的表面均匀包覆双壳层,大幅提高了材料的阻抗匹配特性,同时在内核和双壳层界面处形成大量的纳米界面异质结,有效诱发界面极化,对电子迁移形成散射效应,大幅提升材料的多重反射吸收、强铁磁共振、涡流损耗等电磁波损耗机制,进而显著提升材料的吸波性能;制备方法简单、包覆均匀、致密,包覆层厚度和颗粒尺寸可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁波吸收材料,特别是指一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料及制备方法,具体是指一种双壳层结构MFe2O4/SiO2/羰基铁粉复合吸波材料及制备方法,属于电磁波吸收材料技术领域。
背景技术
设备内部元器件之间的电磁干扰、军事领域中的电磁隐身技术、导弹的微波制导、无线通信领域的信息泄露等使电磁波吸收材料受到广泛的关注,迫切需要开发出厚度薄、质量轻、频带宽、吸收强的电磁波吸收材料。当电磁波入射到吸波材料表面时,入射电磁波能最大限度地进入到材料内部,并且有效吸收衰减入射电磁波,将其转化成热能等其它形式的能量而损耗掉或使电磁波因干涉而消失,从而产生吸波效应。吸波材料可分为电阻损耗型、介电损耗型和磁损耗型。羰基铁粉(CIP)是一种典型的磁损耗型吸波材料,具有大的饱和磁化强度、高的磁导率、优良的温度稳定性,被广泛应用于吸波材料领域。它的磁性吸收主要来源于涡流损耗和铁磁共振。为了提高纯羰基铁粉的吸波性能,一般采用机械混合的方式将羰基铁粉与其它的有机或无机物混合。专利ZL201210151472.8公开了一种碳纳米管掺杂聚席夫碱/羰基铁粉复合隐身材料的制备方法,该材料是采用羰基铁粉与碳纳米管掺杂聚席夫碱机械混合后制得,实施例中材料的最大反射常数只有约-14dB。专利ZL201210003241.2公开了将高氯酸掺杂聚苯胺与羰基铁粉通过混合后制备的吸波材料,材料的最大反射损耗可达到-26.4dB。专利201710015279.4公布了一种基于蓝牙通信频段应用的片状羰基铁粉吸波材料的制备方法,其反射损耗(RL)最高也仅为-15dB。但是该类材料的阻抗匹配性能较差,材料的吸波机制较单一,使材料的吸波性能较低。为了改善羰基铁粉的阻抗匹配性并进一步提高吸波性能,本专利开发出了一种新颖的轻量化、宽频带、高吸收率的双壳层羰基铁粉复合吸波材料。
发明内容
本发明旨在克服现有技术之不足,提供一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料及制备方法。本发明的双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料具有轻量化、宽频带、高吸收率的优点;其制备方法工艺简单、操作方便、确保实现双壳层结构及层与层之间有效包覆。
本发明通过对羰基铁粉(CIP)表面包覆层的成分、含量比例、纳米结构尺寸、包覆层材料的电磁参数等进行设计,通过化学共沉淀法在羰基铁粉的表面均匀包覆双壳层,大幅提高了材料的阻抗匹配特性,同时在羰基铁粉和双壳层界面处形成大量的纳米界面异质结,有效诱发界面极化,对电子迁移形成散射效应,大幅提升材料的多重反射吸收、强铁磁共振、涡流损耗等电磁波损耗机制,进而显著提升材料的吸波性能。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,所述复合吸波材料为双壳层核壳结构,内核为羰基铁粉,双壳层的内层为绝缘层,外层为磁性层。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,按质量百分比,包括下述组分:
羰基铁粉94-99.5%,
绝缘材料0.2-5%,
磁性材料0.2-5%。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,所述绝缘材料选自SiO2、Al2O3、ZrO2、B2O3、TiO2、MnO2、ZnO、SnO2中的一种或多种。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,所述磁性材料为铁氧体MFe2O4,其中M为Ni、Co、Mn、Zn中的一种或多种。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,所述绝缘层的厚度为1nm-1μm;磁性层的厚度为1nm-5μm。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,所述羰基铁粉的粒度为500nm-10μm;绝缘层材料的颗粒尺寸为1nm-500nm;磁性层材料颗粒尺寸为1nm-500nm。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,包括下述步骤:
第一步:羰基铁粉表面绝缘层包覆
先将羰基铁粉、表面改性剂加入溶剂中搅拌均匀,得混合液,然后,将硅源前躯体加入混合液中,调体系pH值为7~10,搅拌至少30分钟后,磁性分离得核壳结构核壳结构前躯体羰基铁粉/SiO2粉末;羰基铁粉表面绝缘层包覆过程搅拌时间优选为0.5-15小时;
第二步:核壳结构前躯体表面磁性层包覆
将第一步得到的核壳结构前躯体、含M离子的盐与含Fe3+离子的盐的混合物加入去离子水中,去离子水的质量为核壳结构前躯体质量的4-20倍,搅拌至少30分钟进行包覆,固液分离,固体粉末在600℃以下煅烧,得双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料;包覆过程搅拌时间优选为0.5-15小时;
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第一步中,溶剂选自去离子水、无水乙醇、丙酮中的一种或多种。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第一步中,表面改性剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第一步中,硅源前躯体选自正硅酸乙酯(TEOS)、多聚硅氧烷(PEDS)、甲级三乙氧基硅烷(MTES)、倍半硅氧烷(POSS)、正硅酸甲酯(TMOS)、三甲基乙氧基硅烷(TMES)中的至少一种。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第一步中,采用氨水或NaOH调体系pH值。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第一步,反应体系中羰基铁粉、溶剂、表面改性剂、硅源前躯体的质量百分比为:1∶(2~10)∶(0.01~0.05)∶(0.02~0.3)。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,取羰基铁粉用酒精冲洗2~3次,去除表面的杂质、油污后,进行表面绝缘层包覆。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第一步得到的得羰基铁粉/SiO2粉末,用无水乙醇或去离子水洗涤至滤液清亮后,50-100℃干燥1-2h备用。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第二步中,含M离子的盐与含Fe3+离子的盐的混合物中,M离子与Fe3+离子的摩尔比为1:1.8-2.4。
所述含M离子的盐,选自MnCl2·4H2O、MnCl2、MnCl2·H2O、MnCl2·5H2O、MnSO4、Mn(NO3)2·4H2O、ZnCl2、ZnSO4、Zn(NO3)2·6H2O、NiCl2、NiCl2·6H2O、NiSO4·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、CoSO4·7H2O、CoCl2、CoCl2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O中的一种或多种;
所述含Fe3+离子的盐选自Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3·6H2O中的至少一种。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第二步中,核壳结构前躯体与含M离子的盐与含Fe3+离子的盐的混合物中的金属离子盐的质量比为90-99.8:0.2-10。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第二步,核壳结构前躯体加入去离子水中,去离子水的加入量为核壳结构前躯体质量的4-20倍。
本发明一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,第二步固液分离得到的固体粉末用去离子水洗涤2-5次后,50-100℃干燥1-2h;将干燥后的粉末在300-600℃煅烧1-3h,煅烧气氛为空气、氢气、氮气或氩气中的一种。
本发明采用网络矢量仪测量材料的电磁参数,并计算出反射损耗;用扫描电镜测量壳层显微形貌;用X射线光电子能谱测量材料包覆层的成分。
本发明的优点和积极效果:
(1)本发明制取的双壳层包覆羰基铁粉复合粉末包覆均匀、致密,包覆层厚度和颗粒尺寸可控,具有良好的抗氧化性(在空气中于200℃氧化24小时增重不超过0.01%)、高的电阻率、高的饱和磁化强度(理论值的95%以上),具有优良的物理性能和磁性能。
(2)现有制备方法中,通常采用机械混合的方法制备羰基铁粉与其他有机或无机物的复合粉末,而本发明中采用共沉淀和表面吸附法在羰基铁粉的表面首先均匀地包覆一层非晶SiO2,然后再包覆一层均匀的MFe2O4铁磁层,包覆效果优于现有方法,而且可操作性强,便于大批量生产。
(3)由于羰基铁粉、SiO2和MFe2O4在电子能带结构与介电性能方面的差异,在羰基铁粉/SiO2/MFe2O4界面处能够形成大量的纳米界面异质结,进而阻碍电子的有效迁移,形成空间电荷极性区,对电子迁移形成散射效应,从而显著增强电磁波功率在该复合材料上的耗散,获得强的吸波性能。同时由于纳米结构的双壳层纳米结构,使材料的表面积显著增大,诱发了界面处对电磁波的多重反射吸收;双壳层结构显著增强了羰基铁粉的铁磁共振。通过优良的阻抗匹配、异质结的空间电荷散射、强度铁磁共振、涡流损耗、介电损耗、多重反射吸收等的协同作用,可以显著提高材料的电磁波吸收能力。
(4)测试结果表明,在高频11.57GHz处,本专利制备的羰基铁粉/SiO2/MFe2O4双壳层复合吸波材料在厚度仅为2mm时的反射损耗(RL)达到-44.24dB,并且在8-18GHz的范围内有-10dB以上的反射率。与专利ZL 201210151472.8(RL=-14dB)、专利201710015279.4(RL=-26.4dB)、专利201710015279.4(RL=-15dB)相比,本专利制备的吸波材料具有更大的反射损耗,是一种新颖的轻量化、宽频带、高吸收率的吸波材料。
附图说明
附图1对比例1制备的SiO2/羰基铁粉的反射损耗;
附图2实施例1制备的Mn0.6Zn0.4Fe2O4/SiO2/羰基铁粉复合吸波材料的反射损耗;
附图3实施例1制备的Mn0.6Zn0.4Fe2O4/SiO2/羰基铁粉复合粉末的形貌图;
附图4为附图3的大倍率图。
从附图1和2可以看出,在相同的制备工艺条件下,在羰基铁粉表面复合包覆双壳层的SiO2和Mn0.6Zn0.4Fe2O4后材料的反射损耗最最大值为-44.24dB,远高于包覆单壳层SiO2的-27.57dB。说明双包覆层材料具有更好的吸波性能。
从附图3和4可以看出,羰基铁粉在包覆SiO2和Mn0.6Zn0.4Fe2O4后,包覆层细小、均匀、完整,具有良好的阻抗匹配性和抗氧化性。
具体实施方式:
本发明实施例及对比例中,均采用网络矢量仪测量材料的电磁参数,并计算出反射损耗;用扫描电镜测量壳层显微形貌;用X射线光电子能谱测量材料包覆层的成分。
对比例1
SiO2/羰基铁粉的制备及吸波性能(单包覆层的SiO2/CIP复合吸波材料):
取100g羰基铁粉,用酒精冲洗2次。将清洗后的羰基铁粉与去离子水混合,搅拌,滴加KH550表面改性剂,并搅拌1h。然后往混合物中添加硅源前躯体正硅酸乙酯TEOS,并滴加适量的氨水NH4OH,调节溶液的pH值约为10,强力机械搅拌4h至反应完全。反应体系中羰基铁粉、去离子水、表面改性剂、TEOS的质量百分比为:1∶10∶0.02∶0.1。反应结束后磁性分离出具有核壳结构的羰基铁粉/SiO2粉末,并用无水乙醇或去离子水洗涤至滤液清亮,在50℃干燥1h。将干燥后的粉末在500℃于氢气中煅烧1h,制备出具有单包覆层的SiO2/CIP复合吸波材料。材料在9.5GHz处反射损耗的最大值为-27.57dB。
实施例1
Mn0.6Zn0.4Fe2O4/SiO2/羰基铁粉复合吸波材料的制备:
取100g羰基铁粉,用酒精冲洗2次,去除表面的杂质、油污等。将清洗后的羰基铁粉与去离子水混合,搅拌,滴加KH550表面改性剂,并搅拌1h。然后往混合物中添加正硅酸乙酯TEOS,并滴加适量的氨水NH4OH,调节溶液的pH值约为10,强力机械搅拌4h至反应完全。反应体系中羰基铁粉、去离子水、表面改性剂、TEOS的质量百分比为:1∶10∶0.02∶0.1。反应结束后磁性分离出具有核壳结构的羰基铁粉/SiO2粉末,并用无水乙醇或去离子水洗涤至滤液清亮,在50℃干燥1h备用。
配制Mn0.6Zn0.4Fe2O4铁氧体前驱体溶液。根据Mn0.6Zn0.4Fe2O4的摩尔比,分别称取适量MnCl2·4H2O、ZnCl2和FeCl3·6H2O。将称好的盐溶解于4mL去离子水中,得到混合盐溶液。将制备的包覆SiO2壳层的羰基铁粉加入去离子水中,搅拌,并加入配制好的盐溶液,强力机械搅拌2-5h至包覆完全,其中包覆SiO2壳层的羰基铁粉与含M离子(Mn和Zn)与Fe3+离子的盐的质量比约为95:5。去离子水的加入量为羰基铁粉质量的5倍。包覆完全后制备出具有双包覆层的羰基铁粉。用去离子水洗涤3次,并且在60℃干燥1h。将干燥后的粉末在500℃于氢气中煅烧1h,制备出具有双包覆层的Mn0.6Zn0.4Fe2O4/SiO2/CIP复合吸波材料。
该复合吸波材料在8-18GHz范围内有-10dB以上的反射率,并且在11.76GHz处其最大反射损耗吸收值达到-44024dB,该材料的反射损耗测试结果如图2所示,SEM形貌图如图3所示。
实施例2
NiFe2O4/SiO2/羰基铁粉复合吸波材料的制备:
取100g羰基铁粉,用酒精冲洗3次,去除表面的杂质、油污等。将清洗后的羰基铁粉与酒精混合,搅拌,滴加KH560表面改性剂,并搅拌0.5h。然后往混合物中添加正硅酸乙酯TEOS,并滴加适量的NaOH溶液,调节溶液的pH值约为9,强力机械搅拌2h至反应完全。反应体系中羰基铁粉、酒精、KH560、TEOS的质量百分比为:1∶3∶0.01∶0.02。反应结束后磁性分离出具有核壳结构的羰基铁粉/SiO2粉末,并用无水乙醇或去离子水洗涤至滤液清亮,在100℃干燥1h备用。分别称取适量Ni(NO3)2·6H2O和FeCl3·6H2O,溶解于去离子水中,得到混合盐溶液。将制备的包覆SiO2壳层的羰基铁粉加入去离子水中,搅拌,并加入配制好的盐溶液,强力机械搅拌5h至包覆完全,其中包覆SiO2壳层的羰基铁粉与含Ni2+离子和Fe3+离子的盐的质量比约为99.8:0.2。去离子水的加入量为羰基铁粉质量的5倍。包覆完全后制备出具有双包覆层的羰基铁粉。用去离子水洗涤3次,并且在50℃干燥2h。将干燥后的粉末在600℃于氩气中煅烧1h,制备出具有双包覆层的NiFe2O4/SiO2/CIP复合吸波材料。
该复合吸波材料在8-18GHz范围内有-10dB以上的反射率,并且在12GHz处有最大反射损耗为-42.29dB。
实施例3
CoFe2O4/SiO2/羰基铁粉复合吸波材料的制备:
取100g羰基铁粉,用酒精冲洗2次,去除表面的杂质、油污等。将清洗后的羰基铁粉与酒精混合,搅拌,滴加KH550表面改性剂,并搅拌1h。然后往混合物中添加正硅酸乙酯TEOS,并滴加适量的氨水,调节溶液的pH值约为7,强力机械搅拌2h至反应完全。反应体系中羰基铁粉、酒精、KH550、TEOS的质量百分比为:1∶8∶0.05∶0.3。反应结束后磁性分离出具有核壳结构的羰基铁粉/SiO2粉末,并用无水乙醇或去离子水洗涤至滤液清亮,在50℃干燥1h备用。分别称取适量CoCl2和FeCl3·6H2O,溶解于去离子水中,得到混合盐溶液。将制备的包覆SiO2壳层的羰基铁粉加入去离子水中,搅拌,并加入配制好的盐溶液,强力机械搅拌3h至包覆完全,其中包覆SiO2壳层的羰基铁粉与含Co2+离子和Fe3+离子的盐的质量比约为90:10。去离子水的加入量为羰基铁粉质量的5倍。包覆完全后制备出具有双包覆层的羰基铁粉。用去离子水洗涤2次,并且在100℃干燥1h。将干燥后的粉末在400℃于氮气中煅烧2h,制备出具有双包覆层的NiFe2O4/SiO2/CIP复合吸波材料。
该复合吸波材料在8-18GHz范围内有-10dB以上的反射率,并且在12GHz处有最大反射损耗为-42.3dB。
实施例4
ZnFe2O4/SiO2/羰基铁粉复合吸波材料的制备:
取100g羰基铁粉,用酒精冲洗2次,去除表面的杂质、油污等。将清洗后的羰基铁粉与去离子水混合,搅拌,滴加KH550表面改性剂,并搅拌1h。然后往混合物中添加正硅酸乙酯TEOS,并滴加适量的氨水,调节溶液的pH值约为9,强力机械搅拌2h至反应完全。反应体系中羰基铁粉、去离子水、KH550、TEOS的质量百分比为:1∶8∶0.03∶0.08。反应结束后磁性分离出具有核壳结构的羰基铁粉/SiO2粉末,并用无水乙醇或去离子水洗涤至滤液清亮,在60℃干燥1h备用。分别称取适量ZnCl2和FeCl3·6H2O,溶解于去离子水中,得到混合盐溶液。将制备的包覆SiO2壳层的羰基铁粉加入去离子水中,搅拌,并加入配制好的盐溶液,强力机械搅拌4h至包覆完全,其中包覆SiO2壳层的羰基铁粉与含Co2+离子和Fe3+离子的盐的质量比约为95:5。去离子水的加入量为羰基铁粉质量的5倍。包覆完全后制备出具有双包覆层的羰基铁粉。用去离子水洗涤2次,并且在100℃干燥1h。将干燥后的粉末在500℃于氮气中煅烧2h,制备出具有双包覆层的ZnFe2O4/SiO2/CIP复合吸波材料。
该复合吸波材料在8-18GHz范围内有-10dB以上的反射率,并且在11GHz处其最大反射损耗吸收值达到-42.0dB。
从对比例1及实施例1-4的检测结果可以看出,在羰基铁粉表面复合包覆双壳层的SiO2和Mn0.6Zn0.4Fe2O4、ZnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4后,材料的反射损耗最最大值为-42.0dB—-44.24dB,远高于包覆单壳层SiO2的-27.57dB。说明双包覆层材料具有更好的吸波性能,真正实现了宽频带、高吸收率的特性。
Claims (9)
1.一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,所述复合吸波材料为双壳层核壳结构,内核为羰基铁粉,双壳层的内层为绝缘层,外层为磁性层;所述绝缘层材料选自SiO2;所述磁性层材料为铁氧体MFe2O4,其中M为Ni、Co、Mn、Zn中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,其特征在于:所述绝缘层的厚度为1nm-1μm;磁性层的厚度为1nm-5μm。
3.根据权利要求1所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,其特征在于:所述羰基铁粉的粒度为500nm-10μm;绝缘层材料的颗粒尺寸为1nm-500nm;磁性层材料颗粒尺寸为1nm-500nm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料,其特征在于:按质量百分比,包括下述组分:
羰基铁粉94-99.5%,
绝缘材料0.2-5%,
磁性材料0.2-5%。
5.制备如权利要求4所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的工艺,包括下述步骤:
第一步:羰基铁粉表面绝缘层包覆
先将羰基铁粉、表面改性剂加入溶剂中搅拌均匀,得混合液,然后,将硅源前躯体加入混合液中,调体系pH值为7~10,搅拌至少30分钟后,磁性分离得核壳结构前躯体羰基铁粉/SiO2粉末;
第二步:核壳结构前躯体表面磁性层包覆
将第一步得到的核壳结构前躯体、含M离子的盐与含Fe3+离子的盐的混合物加入去离子水中,去离子水的质量为核壳结构前躯体质量的4-20倍,搅拌至少30分钟进行包覆,固液分离,固体粉末在600℃以下煅烧,得双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料。
6.根据权利要求5所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,其特征在于:第一步中,
溶剂选自去离子水、无水乙醇、丙酮中的一种或多种;
表面改性剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷;
硅源前躯体选自正硅酸乙酯、多聚硅氧烷、甲基三乙氧基硅烷、倍半硅氧烷、正硅酸甲酯、三甲基乙氧基硅烷中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,其特征在于:第一步,反应体系中羰基铁粉、溶剂、表面改性剂、硅源前躯体的质量百分比为:1∶(2~10)∶(0.01~0.05)∶(0.02~0.3)。
8.根据权利要求5所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,其特征在于:第二步中,含M离子的盐与含Fe3+离子的盐的混合物中,M离子与Fe3+离子的摩尔比为1:1.8-2.4;
所述含M离子的盐,选自MnCl2•4H2O、MnCl2、MnCl2•H2O、MnCl2•5H2O、MnSO4、Mn(NO3)2•4H2O、ZnCl2、ZnSO4、Zn(NO3)2•6H2O、NiCl2、NiCl2•6H2O、NiSO4•6H2O、Ni(NO3)2•6H2O、CoSO4•7H2O、CoCl2、CoCl2•6H2O、Co(NO3)2•6H2O中的一种或多种;
所述含Fe3+离子的盐,选自Fe(NO3)3•9H2O、FeCl3•6H2O中的至少一种;
核壳结构前躯体与含M离子的盐与含Fe3+离子的盐的混合物中的金属离子盐的质量比为90-99.8:0.2-10。
9.根据权利要求5-8任意一项所述的一种双壳层结构羰基铁粉复合吸波材料的制备工艺,其特征在于:第二步,固体粉末干燥后在300-600℃煅烧1-3h,煅烧气氛为空气、氢气、氮气或氩气中的一种。
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