CN111113626B - 一种离心式复合材料制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于制备层状仿生复合结构材料的离心式复合材料制备系统及方法，将氮化硼粉末装入第一原料槽，氧化锆粉末装入第二原料槽，乙醇装入第一溶剂槽和第一溶剂槽中，离心盘的正下方设有固定不动的真空盘，真空盘通过管道连接真空泵，真空管的上段盲孔与真空盘的中间通孔相接，内部形成倒丁字形孔道；通过计算机自动控制，使用溶剂作为载体，通过离心法均匀铺平每层溶液和悬浮液，通过控制每层溶液的浓度和体积控制每层材料的厚度，使多种粉末原料和溶剂定量地流入下方的超声机中，可制备出单层厚度小于5μm的材料，并保证了单层厚度的均匀性和每层材料的均匀分布；采用冷冻干燥技术去除溶剂，无任何杂质残留与有害气体污染。

Description

一种离心式复合材料制备系统及方法

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，具体是一种离心式复合材料制备系统，用于制备层状仿生复合结构的材料。

背景技术

核能、电子、化学、航空航天等行业的快速发展对材料的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性等性能提出了更高的要求，而传统的金属以及高分子材料已经难以胜任。陶瓷材料因其具有高硬度、高强度、高弹性模量等优异性能而受到各行各业的广泛关注，但由于陶瓷材料的脆性的天然缺陷限制了其性能的发挥，因此，增韧就成了陶瓷材料制备的关键技术。天然生物材料经过亿万年的演化形成了天然合理的结构，且具有优异的性能，这些结构特征为复合材料的研发提供了有益的启示，其中木材、珍珠、贝壳所具备的层状复合结构便是近年来的研究热点之一。层状仿生复合材料是采用层状复合结构，在高强度基体层间引入夹层来达到增韧效果的材料。现有研究表明，层状仿生复合材料的单层厚度和均匀性是影响其性能的重要因素，单层厚度的正确选择和单层均匀性的精确控制可以提高材料的断裂韧性，但现有工艺条件难以实现层厚及材料分布的均匀性，尤其是层厚小于5μm时，极大地阻碍了层状仿生复合材料潜能的发挥。因此，研发一套能够精确控制层厚，并实现层厚、材料分布均匀分布的制备工艺，就成为本领域的难题。

目前陶瓷层状仿生复合材料的层状结构的主要实现手段为流延法、滚压法和分层装填法，但这些方法都面临着单层厚度的均匀性和材料分布的均匀性难以保证的问题，尤其是单层厚度在5μm时。同时流延法和滚压法在制备过程中用到的有机溶剂，只能在烧结时去除，由此产生的有害气体不利于环保。

发明内容

为解决目前传统层状仿生复合材料制备所面临的污染较大、难以实现层厚小于5μm的制备，且无法精确控制层厚均匀性和材料分布均匀性的问题，本发明提供了一种离心式复合材料制备系统及其制备方法，能高效地去除溶剂，可制备出单层厚度小于5μm的材料，并能保证单层厚度的均匀性和每层材料的均匀分布。

本发明所述的一种离心式复合材料制备系统采用如下技术方案：其上方具有第一原料槽、第二原料槽和第一溶剂槽、第二溶剂槽，在每个所述原料槽的旁边设有一个称重传感器，超声机位于两个所述原料槽和两个所述溶剂槽的下方，超声机内部分为左右两个超声机槽，第一原料槽和第一溶剂槽的底部通过管道连通左侧的超声机槽，第二原料槽和第二溶剂槽的底部通过管道连通右侧的超声机槽，第一溶剂槽底部的管道上装有第一电磁阀和第一流量传感器，第二溶剂槽底部的管道上装有第二电磁阀和第二流量传感器，第一原料槽底部的管道上装有第三电磁阀，第二原料槽底部的管道上装有第四电磁阀；左右两个超声机槽各自通过管道与垂直布置的喷嘴尾管上端入口相接，左侧的超声机槽和喷嘴尾管上端之间的管道上装有第三流量传感器和第五电磁阀，右侧的超声机槽和喷嘴尾管上端之间的管道上装有第四流量传感器和第六电磁阀；喷嘴尾管下端从箱体的正上方外部向下伸入在箱体内部，喷嘴尾管的下端是喷嘴，喷嘴的正下方是载料盘和离心盘，载料盘套在离心盘中，离心盘的正下方设有固定不动的真空盘，真空盘通过管道连接真空泵，真空盘上装有压力传感器，箱体上外部固定连接制冷系统；离心盘的底部中间开有上下贯通的通孔，离心盘经通孔固定连接垂直布置的真空管的上端，真空管的上段正中间开有与离心盘的底部通孔相通的盲孔，真空管下段穿过水平布置的真空盘，真空盘的正中间开有水平的通孔，真空管的上段盲孔与真空盘的中间通孔相接，内部形成倒丁字形孔道，真空管的底端向下伸出在真空盘的下方经联轴器与电机的输出轴同轴心地相连；计算机控制系统分别连接真空泵、电机、超声机、制冷系统以及每个电磁阀和传感器。

所述的离心式复合材料制备系统制备复合材料的方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤一：将氮化硼粉末装入第一原料槽，氧化锆粉末装入第二原料槽，乙醇装入第一溶剂槽和第一溶剂槽中，计算机控制系统控制冷冻系统工作，达到预设温度；

步骤二：计算机控制系统控制第一、第二、第三、第四电磁阀同时开启，乙醇流入左右两侧的超声机槽中，氮化硼粉末流入左侧的超声机槽中，氧化锆粉末流入右侧的超声机槽中；当第一、第二称重传感器分别检测到氮化硼粉末和氧化锆粉末流入量达到预设质量、第二、第二流量传感器分别检测到乙醇流入量达到预设流量时，计算机控制系统关闭第一、第二、第三、第四电磁阀，控制超声机工作，氮化硼粉末和氧化锆粉末在各自的槽中分别均匀溶解且分散于乙醇中；

步骤三：打开第五电磁阀且控制电机和真空泵工作，氮化硼溶液流出至载料盘中，电机带动离心盘和载料盘旋转，真空泵抽真空，离心盘和载料盘紧吸在一起；

步骤四：载料盘中的氮化硼溶液在离心力作用下填满载料盘的底部，当第三流量传感器检测到氮化硼溶液流出量达到预设值时，关闭第五电磁阀，载料盘底部的氮化硼溶液形成一层氮化硼溶液冻层；

步骤五：计算机控制系统控制第六电磁阀开启，氧化锆悬浮液落在氮化硼溶液冻层上，形成一层氧化锆悬浮液冻层，之后关闭第六电磁阀；

步骤六：重复步骤三至步骤五，形成第二层氮化硼溶液冻层和氧化锆悬浮液冻层，如此循环，直至第三、第四流量传感器分别检测到的氮化硼溶液、氧化锆悬浮液的流出量达到预设的总量值，冻层总厚度达到目标厚度为止，关闭电机、真空泵和制冷系统。

进一步地，将载料盘取出放入冷冻干燥箱进行冷冻干燥，去除乙醇，氮化硼溶液冻层转变为氮化硼层，氧化锆悬浮液冻层转变为氧化锆层，将载料盘放入烧结炉进行烧结，获得复合材料。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案具备以下有益效果：

1、本发明通过计算机的自动控制，使用溶剂作为载体，离心法为辅助手段，通过离心法均匀铺平每层溶液和悬浮液，通过控制陶瓷溶液和悬浮液的浓度和体积来控制层厚，可制备出单层厚度小于5μm的材料，并保证了单层厚度的均匀性和每层材料的均匀分布。

2、本发明采用冷冻干燥技术使酒精溶剂快速挥发，去除溶剂，无任何杂质残留与有害气体污染，简单高效绿色无污染。而现有的流延法和滚压法在制备过程中用到的有机溶剂只能在烧结时去除，由此产生的有害气体不利于环保，所以本发明环保优势明显。

3、本发明可制备层状仿生复合材料，不仅是陶瓷层状仿生复合材料制备的新方法，更能极大地提升陶瓷复合材料的韧性和制备效率，保证复合材料的高生产效率，具有极高的应用价值。

4、本发明通过控制每层溶液的浓度和体积，控制每层材料的厚度，使多种粉末原料和溶剂定量地流入下方的超声机中，适用于不同级别要求的单层厚度，尤其在层厚小于5μm时，而该厚度是现有制备方法达不到的。

5、本发明通过超声波的混合作用，实现原料在溶剂中的均匀分散，最终准确配制出达到目标浓度的两种或多种溶液或悬浮液。

附图说明

图1为本发明所述的一种离心式复合材料制备系统的结构示意图；

图2为图1中离心部分的局部结构放大图；

图3为图1所示系统工作时，溶液经离心冷冻后和冷冻干燥后的材料形貌对比图。

图1、2中：1-第一溶剂槽；2-第二溶剂槽；3-第一原料槽；4-第二原料槽；5-第一电磁阀；6-第二电磁；7-第一称重传感器；8-第二称重传感；9-第一流量传感器；10-第二流量传感；11-第三电磁阀；12-第四电磁阀；13-第三流量传感器；14-第四流量传感器；15-第五电磁阀；16-第六电磁阀；17-超声机；18-喷嘴尾管；19-第一密封圈；20-喷嘴；21-制冷系统；22-离心盘；23-真空盘；24-电机；25-压力传感器；26-真空泵；27-箱体；28-计算机控制系统；29-侧门；30-载料盘；31-紧定螺钉；32-真空管；33-联轴器；34-真空管；35-第二密封圈；36-第三密封圈；37-隔板；38-轴承；

图3中：A.氮化硼溶液冻层；B.氧化锆悬浮液冻层；C.氧化锆层；D.氮化硼层。

具体实施方式

参见图1，本发明一种离心式复合材料制备系统的上方具有两个原料槽和两个溶剂槽，分别是第一原料槽3、第二原料槽4和第一溶剂槽1、第二溶剂槽2。第一原料槽3中装有氮化硼粉末，第二原料槽4中装有氧化锆粉末，第一溶剂槽1和第二溶剂槽2中都装有乙醇。在每个原料槽的旁边设有一个称重传感器，用于对原料槽中的原料进行称重，分别是将第一称重传感器7固定在第一原料槽3的侧壁外部，第二称重传感器8固定在第二原料槽4的侧壁外部。

两个原料槽和两个溶剂槽的底部都通过管道与超声机17相连通，超声机17位于两个原料槽和两个溶剂槽的下方。超声机17为盒状的超声波震荡机，超声机17内部被中间隔板分为左右两个超声机槽，第一原料槽3和第一溶剂槽1的底部通过管道连通左侧的超声机槽，第二原料槽4和第二溶剂槽2的底部通过管道连通右侧的超声机槽，管道出口悬挂于超声机槽上方。

在每个原料槽和每个溶剂槽底部的管道上各安装一个电磁阀，分别是位于第一溶剂槽1底部的第一电磁阀5、位于第二溶剂槽2底部的第二电磁阀6、位于第一原料槽3底部的第三电磁阀11、位于第二原料槽4底部的第四电磁阀12。

在每个溶剂槽底部管道上还安装一个流量传感器，分别是位于第一溶剂槽1底部的第一流量传感器9、位于第二溶剂槽2底部的第二流量传感器10。

超声机17和每个电磁阀均通过各自的控制线连接计算机控制系统28，由计算机控制系统28控制超声机17的启停以及电磁阀的开关。每个称重传感器和每个流量传感器均通过各自的信号线连接计算机控制系统28，称重传感器将对应的原料槽中的原料重量信息传送到计算机控制系统28中，流量传感器将对应的溶剂槽中流出的溶剂量信息传送到计算机控制系统28中。

超声机17的左右两个超声机槽各自通过管道与喷嘴尾管18上端入口相接。喷嘴尾管18为圆柱型管道，位于超声机17的下方且垂直布置。在左右两个超声机槽和喷嘴尾管18之间的一侧管道上各安装一个流量传感器和一个电磁阀，分别是：在左侧的超声机槽和喷嘴尾管18上端之间的管道上安装第三流量传感器13和第五电磁阀15，在右侧的超声机槽和喷嘴尾管18上端之间的管道上安装第四流量传感器14和第六电磁阀16。该两个流量传感器和两个电磁阀也连接计算机控制系统28。

喷嘴尾管18的下端是锥形的喷嘴20，喷嘴尾管18下端从箱体27的正上方外部向下伸入在箱体27内部，并在喷嘴尾管18和箱体27之间用一密封圈19密封。箱体27为方形金属箱，喷嘴20的正下方是载料盘30和离心盘22，载料盘30和离心盘22在箱体27的内部，均水平布置，载料盘30为圆筒状，开口朝上，喷嘴20与载料盘30不接触，之间留有3cm。喷嘴尾管18、喷嘴20离心盘22与载料盘30的中心轴相同。

离心盘22的正下方设有固定不动的真空盘23，真空盘23通过管道连接真空泵26，真空泵26经控制线连接计算机控制系统28。在真空盘23上安装压力传感器25，用于检测真空盘23内部的空气压力，压力传感器25通过信号线连接计算机控制系统28。真空盘23的正下方是电机24，电机24垂直布置，其输出轴垂直向上，由电机24带动离心盘22旋转。箱体27的一侧设有侧门29，侧门29上有把手。箱体27的另一侧设有外部固定制冷系统21，用于对箱体27内部制冷。制冷系统21经控制线连接计算机控制系统28。

再结合图2，箱体27内部设有水平的隔板37，将箱体27分为上下两个腔室。离心盘22和载料盘30在隔板37的上方，离心盘22主体为开口朝上的圆筒状，载料盘30套在离心盘22中，载料盘30的外径与离心盘22的内径相同。工作时，载料盘30恰好嵌在离心盘22中，保证了载料盘30与离心盘22的同轴度。离心盘22的底部中间向下延伸出凸台，中间开有上下贯通的通孔，通过通孔固定连接真空管32的上端，并用紧定螺钉31将真空管32和离心盘22固定在一起。真空管32的上段正中间开有盲孔，盲孔与离心盘22的底部通孔相通。

真空管32是垂直布置，其下段穿过水平布置的真空盘23。真空盘23的正中间开有水平的通孔，真空管32的上段盲孔与真空盘23的中间通孔相接，内部通路呈倒丁字形孔道，相接且相通。在倒丁字形孔处道的真空管32处安装上密封圈35和下密封圈36，保证倒丁字形孔内部的气密性。

真空盘23在隔板37的下方，真空盘23的上端面与隔板37底部固定焊接在一起。这样，真空管32下段先穿过隔板37再伸在真空盘23中，真空管32与隔板37之间连接轴承38。真空管32有间隙地套在真空盘23中。当真空管32旋转时，真空盘23不动。

真空盘23的中间通孔的一端处密封安装压力传感器25，使压力传感器25能感应到倒丁字形孔内部的气压。真空盘23的中间通孔的另一端处通过管道连接真空泵26。工作时，真空泵26抽取真空，经倒丁字形孔通路，使上方的离心盘22和载料盘30紧紧吸附在一起，保证载料盘30在旋转的过程中不会脱离离心盘22。

真空管32的底端向下伸出在真空盘23的下方，并且与联轴器33上端同轴心地相连，联轴器33下端与电机24输出轴同轴心地相连，电机24底部与箱体27的底部通过螺栓连接固定。电机24工作，带动真空管32旋转，从而带动离心盘22和载料盘30旋转。

工作时，将氮化硼粉末装填入第一原料槽3，氧化锆粉末装填入第二原料槽4中，将乙醇装填入第一溶剂槽1和第一溶剂槽2中。计算机控制系统28控制冷冻系统21工作，预先在箱体27内制造低温环境，达到预设温度。

计算机控制系统28控制第一电磁阀5、第二电磁阀6、第三电磁阀11和第四电磁阀12同时开启，乙醇流入超声机17的左右两侧的超声机槽中，氮化硼粉末流入左侧的超声机槽中，氧化锆粉末流入右侧的超声机槽中。

当第一、第二称重传感器7、8分别检测到氮化硼粉末和氧化锆粉末流入量达到预设质量、第二、第二流量传感器9、10分别检测到乙醇流入量达到预设流量时，计算机控制系统28关闭第一电磁阀5、第二电磁阀6、第三电磁阀11和第四电磁阀12，停止了乙醇、氮化硼粉末和氧化锆粉末流入超声机17中，实现每一种溶液的准确配制。

计算机控制系统28控制超声机17工作，使氮化硼粉末和氧化锆粉末在各自的槽中分别逐渐均匀溶解且分散于乙醇中，当超声机17达到预设工作时间后，计算机控制系统28控制超声机17停止工作。然后打开第五电磁阀15，使左侧的超声机槽中的氮化硼溶液经过喷嘴尾管18从喷嘴20流出至载料盘30中。同时计算机控制系统28控制电机24和真空泵26工作，电机24带动联轴器33、真空管32、离心盘22和载料盘30同时旋转。真空泵26抽真空，通过真空盘23和真空管32，将离心盘22和载料盘30紧紧吸附在一起。此时，流入载料盘30中的氮化硼溶液也在旋转，在离心力的作用下，氮化硼溶液向四周均匀铺开，最终填满载料盘30的底部。当第三流量传感器13检测到氮化硼溶液流出量达到预设值时，计算机控制系统28控制第五电磁阀15关闭，氮化硼溶液停止流出。此时，在载料盘30底部的氮化硼溶液经离心，在低温环境下完全凝固，形成一层均匀的氮化硼溶液冻层A，其厚度可低至纳米级，小于5μm，如图3所示。然后，计算机控制系统28控制第六电磁阀16开启，氧化锆悬浮液经过喷嘴尾管18从喷嘴20流出，最终落在氮化硼溶液冻层A上，形成一层氧化锆悬浮液冻层B，氧化锆悬浮液冻层B的厚度可低至纳米级，小于5μm。之后再关闭第六电磁阀16，再打开第五电磁阀15，使氮化硼溶液落在氧化锆悬浮液冻层B上，形成第二层氮化硼溶液冻层A，如此循环地形成第二层氮化硼溶液冻层A和氧化锆悬浮液冻层B，直至第三、第四流量传感器13、14分别检测到的氮化硼溶液、氧化锆悬浮液的流出量达到预设的总量值，即冻层总厚度达到目标厚度为止。此时计算机控制系统28控制电机24、真空泵26和制冷系统21关闭，离心盘22和载料盘30停止旋转，真空泵26、真空盘23和真空管34进气，解除真空状态。待箱体27内温度恢复至室温后，打开侧门29，将载料盘30取出。

最后，将载料盘30放入冷冻干燥箱进行冷冻干燥，去除乙醇。氮化硼溶液冻层转变为氮化硼层C，氧化锆悬浮液冻层B转变为氧化锆层D，如图3所示。将载料盘30放入烧结炉进行烧结，烧结完成后便获得目标复合材料。

以上所述，仅是较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种离心式复合材料制备系统，其上方具有第一原料槽（3）、第二原料槽（4）和第一溶剂槽（1）、第二溶剂槽（2），在每个所述原料槽的旁边设有一个称重传感器，其特征是：超声机（17）位于两个所述原料槽和两个所述溶剂槽的下方，超声机（17）内部分为左右两个超声机槽，第一原料槽（3）和第一溶剂槽（1）底部通过管道连通左侧的超声机槽，第二原料槽（4）和第二溶剂槽（2）的底部通过管道连通右侧的超声机槽，第一溶剂槽（1）底部的管道上装有第一电磁阀（5）和第一流量传感器（9），第二溶剂槽（2）底部的管道上装有第二电磁阀（6）和第二流量传感器（10），第一原料槽（3）底部的管道上装有第三电磁阀（11），第二原料槽（4）底部的管道上装有第四电磁阀（12）；左右两个超声机槽各自通过管道与垂直布置的喷嘴尾管（18）上端入口相接，左侧的超声机槽和喷嘴尾管（18）上端之间的管道上装有第三流量传感器（13）和第五电磁阀（15），右侧的超声机槽和喷嘴尾管（18）上端之间的管道上装有第四流量传感器（14）和第六电磁阀（16）；喷嘴尾管（18）下端从箱体（27）的正上方外部向下伸入在箱体（27）内部，喷嘴尾管（18）的下端是喷嘴（20），喷嘴（20）的正下方是载料盘（30）和离心盘（22），载料盘（30）套在离心盘（22）中，离心盘（22）的正下方设有固定不动的真空盘（23），真空盘（23）通过管道连接真空泵（26），真空盘（23）上装有压力传感器（25），箱体（27）上外部固定连接制冷系统（21）；离心盘（22）的底部中间开有上下贯通的通孔，离心盘（22）经通孔固定连接垂直布置的真空管（32）的上端，真空管（32）的上段正中间开有与离心盘（22）的底部通孔相通的盲孔，真空管（32）下段穿过水平布置的真空盘（23），真空盘（23）的正中间开有水平的通孔，真空管（32）的上段盲孔与真空盘（23）的中间通孔相接，内部形成倒丁字形孔道，真空管（32）的底端向下伸出在真空盘（23）的下方经联轴器（33）与电机（24）的输出轴同轴心地相连；计算机控制系统（28）分别连接真空泵（26）、电机（24）、超声机（17）、制冷系统（21）以及每个电磁阀和传感器。

2.根据权利要求1所述的一种离心式复合材料制备系统，其特征是：箱体（27）内部设有水平的隔板（37），离心盘（22）和载料盘（30）在隔板（37）的上方，真空盘（23）在隔板（37）的下方，真空盘（23）的上端面与隔板（37）底部固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种离心式复合材料制备系统，其特征是：离心盘（22）为开口朝上的圆筒状，载料盘（30）的外径与离心盘（22）的内径相同。

4.根据权利要求1所述的一种离心式复合材料制备系统，其特征是：真空管（32）下段先穿过隔板（37）再伸在真空盘（23）中，真空管（32）与隔板（37）之间连接轴承（38）。

5.一种如权利要求1所述的离心式复合材料制备系统制备复合材料的方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一：将氮化硼粉末装入第一原料槽（3），氧化锆粉末装入第二原料槽（4），乙醇装入第一溶剂槽（1）和第一溶剂槽（2）中，计算机控制系统（28）控制冷冻系统（21）工作，达到预设温度；

步骤二：计算机控制系统（28）控制第一、第二、第三、第四电磁阀（5、6、11、12）同时开启，乙醇流入左右两侧的超声机槽中，氮化硼粉末流入左侧的超声机槽中，氧化锆粉末流入右侧的超声机槽中；当第一、第二称重传感器（7、8）分别检测到氮化硼粉末和氧化锆粉末流入量达到预设质量、第二、第二流量传感器（9、10）分别检测到乙醇流入量达到预设流量时，计算机控制系统（28）关闭第一、第二、第三、第四电磁阀（5、6、11、12），控制超声机（17）工作，氮化硼粉末和氧化锆粉末在各自的槽中分别均匀溶解且分散于乙醇中；

步骤三：打开第五电磁阀（15）且控制电机（24）和真空泵（26）工作，氮化硼溶液流出至载料盘（30）中，电机（24）带动离心盘（22）和载料盘（30）旋转，真空泵（26）抽真空，离心盘（22）和载料盘（30）紧吸在一起；

步骤四：载料盘（30）中的氮化硼溶液在离心力作用下填满载料盘（30）的底部，当第三流量传感器（13）检测到氮化硼溶液流出量达到预设值时，关闭第五电磁阀（15），载料盘（30）底部的氮化硼溶液形成一层氮化硼溶液冻层；

步骤五：计算机控制系统（28）控制第六电磁阀（16）开启，氧化锆悬浮液落在氮化硼溶液冻层上，形成一层氧化锆悬浮液冻层，之后关闭第六电磁阀（16）；

步骤六：重复步骤三至步骤五，形成第二层氮化硼溶液冻层和氧化锆悬浮液冻层，如此循环，直至第三、第四流量传感器（13、14）分别检测到的氮化硼溶液、氧化锆悬浮液的流出量达到预设的总量值，冻层总厚度达到目标厚度为止，关闭电机（24）、真空泵（26）和制冷系统（21）。

6.根据权利要求5所述的制备复合材料的方法，其特征是：步骤六后，将载料盘（30）取出放入冷冻干燥箱进行冷冻干燥，去除乙醇，氮化硼溶液冻层转变为氮化硼层，氧化锆悬浮液冻层转变为氧化锆层，将载料盘（30）放入烧结炉进行烧结，获得复合材料。

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