CN114378297A - 大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料及其制备和应用 - Google Patents
大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料及其制备和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料及其制备和应用,其采用立方体的氧化铁为模板,二氧化硅通过表面曲率控制包覆成多支状结构,随后以水热方法在其表面通过配位键和的方式包覆各向异性的四氧化三铁颗粒,最后高温氢氩气环境下还原制得大尺寸的铁颗粒修饰的多支蛋黄‑壳结构。本发明中的Fe@SiO2@Fe材料表现出优异的微波吸收性能,在5mm厚度下能使微波有效吸收带宽(反射损耗值小于‑10dB)在2‑18GHz范围内覆盖15.32GHz,在厚度为3.02mm时最强反射损耗值可达到‑44.1dB,有效吸收带宽达到13GHz,远超同类型吸波材料,在微波吸收领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于吸波材料技术领域,涉及一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料及其制备和应用。
背景技术
随着高频5G/6G通讯技术的发展,高频电磁波产生的抗污染压力已成为一个紧迫的问题,宽频吸波材料有望解决这种难题。迄今为止,结构设计和成分调控已经被广泛用于扩展电磁波吸收频带。双壳结构可以通过引入可控的异质结接触和快速的电子传输通道来提高电导率,但是目前报道的文献大多以介电组分包覆磁组分为主,这损害了材料的磁损耗能力,导致阻抗匹配失衡,吸收带宽大大缩小。磁组分负载的吸波材料少的原因主要是介电组分表面功能基团较少并且负载的磁颗粒容易团,可以通过负载磁性材料前驱体再还原的方式解决这些问题。但是由于引入的磁性颗粒比较小,影响了材料的磁耦合能力,使整体磁响应范围大大缩减。因此利用有效的策略实现更宽的吸收带宽仍然是目前需要突破的瓶颈。
专利CN108046277A报道了一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法,可以得到内外四氧化三铁纳米颗粒包覆的二氧化硅微球,但是由于其未经过还原气氛退火步骤,整体磁性较弱。Xiaohui Li等报道了一种中空蝌蚪状Fe@SiO2@C-Ni材料,将PDA-Ni2+壳层还原得到磁性包覆层,得到的最强的反射损耗值为-45.2dB,13.1GHz极宽的有效吸收带宽,但由于其包覆的磁性颗粒较小,在2-18GHz内仍不能达到覆盖90%以上。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料及其制备和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明的技术方案之一提供了一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取聚乙烯吡咯烷酮溶于戊醇中,依次加入氧化铁的水分散液、柠檬酸钠水溶液、氨水、无水乙醇和正硅酸乙酯,摇晃均匀后静置,随后离心、洗涤、干燥,得到Fe2O3@SiO2粉末;
(2)将Fe2O3@SiO2粉末重新分散于丙酮中,加入二茂铁,超声,随后加入双氧水,继续搅拌,得到前驱体溶液;
(3)将前驱体溶液进行水热反应,所得反应产物分离、洗涤、干燥,得到Fe2O3@SiO2@Fe3O4粉末;
(4)将Fe2O3@SiO2@Fe3O4粉末在氢氩气氛下退火,即得到目标产物。
进一步的,步骤(1)中,氧化铁为立方体形状氧化铁。
进一步的,步骤(1)中,聚乙烯吡咯烷酮与戊醇的添加量之比为(0.8~1.2)g:10mL,优选为1g:10mL。
进一步的,步骤(1)中,氧化铁的水分散液的质量分数为0.08~0.12g/mL,优选为0.1g/mL,氧化铁的水分散液与戊醇的体积比为(2~4):1000,优选为3:1000。
进一步的,步骤(1)中,柠檬酸钠水溶液的浓度为0.15~0.25mol/L,优选为0.2mol/L,柠檬酸钠水溶液与戊醇的体积比为(0.8~1.2):100,优选为1:100。
进一步的,步骤(1)中,氨水的质量分数为25~28%,无水乙醇的纯度≥99.7%,且氨水、无水乙醇、正硅酸乙酯三者与戊醇的体积比分别为(1.5~2.5):100、(0.8~1.2):10、(0.8~1.2):100,可分别优选为2:100、1:10、1:100。
进一步的,步骤(1)中,静置的温度为50~70℃,优选为60℃,时间为1~3h,优选为2h。
进一步的,步骤(2)中,Fe2O3@SiO2粉末与丙酮的添加量之比为(40~60)mg:15mL,优选为50mg:15mL。
进一步的,步骤(2)中,二茂铁和Fe2O3@SiO2粉末的质量比为(0.5~2):1。
进一步的,步骤(2)中,双氧水的浓度为25~35wt%,双氧水与丙酮的体积比为(425μL~1.7mL):15mL。
进一步的,步骤(2)中,继续搅拌的时间为0.5~3h。
进一步的,步骤(3)中,水热反应的温度为200~250℃,优选为220℃,时间为12~36h,优选为24h。
进一步的,步骤(4)中,氢氩气氛中氢气的体积分数为4~6%,优选为5%,退火温度为700~900℃,优选为800℃,时间为3~5h,优选为4h。
本发明的技术方案之二提供了一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料,其采用如上所述的制备方法制备得到。其采用立方体的氧化铁为模板,二氧化硅通过表面曲率控制包覆形成多支状结构,随后以水热方法在其表面通过配位键和的方式包覆各向异性的四氧化三铁颗粒,最后在高温氢氩气氛下还原制得大尺寸的铁颗粒修饰的多支蛋黄-壳结构。
本发明的技术方案之三提供了一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料在微波吸收领域中的应用。
本发明通过研究发现,磁性负载的核壳结构能有效提高材料的磁损耗,但是包覆的均一性和磁性提升范围有限仍然目前需要解决的问题。因此我们通过调控二氧化硅与四氧化三铁之间的相互作用力平衡,可以在各向异性表面实现均匀包覆,通过在还原气氛下退火,一步实现内外部的铁氧化物还原成强磁性单质铁,提高材料的磁性。表面的大尺寸各向异性铁颗粒和内部的铁核构成了多尺度的磁耦合体系,极大地扩大了磁响应范围,提高整体磁损耗。表面磁颗粒还可以形成导电网络,而柯肯达尔效应产生的中空结构使电磁波在进入吸波体后发生多重反射,双层蛋黄-壳结构诱导形成多级界面极化,这些机制使材料获得了较高的介电损耗。通过约束介电损耗和磁损耗的平衡使材料达到优越的阻抗匹配程度,从而大幅拓宽它的微波吸收带宽。
本发明利用表面曲率的不同诱导在立方体状的核外部生长圆柱体状的二氧化硅,通过二氧化硅表面相互作用力的调控,成功实现各向异性磁颗粒的均匀负载,采用一步还原提高体系磁性的同时,获得了大尺寸磁性均匀包覆的多支结构。这种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料在微波吸收领域上表现出优异的综合性能。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明提供的大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构材料应用于微波吸收领域,具有超宽微波吸收带宽的优点,其有效吸收带宽(反射损耗值小于-10dB)在2-18GHz范围内覆盖15.32GHz,在厚度为3.02mm时最强反射损耗值可达到-44.1dB,有效吸收带宽达到13GHz。
(2)本发明合成方法新颖,成功合成了大尺寸各向异性磁修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构。
附图说明
图1为大尺寸各向异性磁修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的合成示意图。
图2为各样品扫描电镜图,其中,(a)Fe@SiO2@Fe材料;(b)Fe3O4@SiO2@Fe3O4材料;(c)Fe3O4@SiO2材料;(d)Fe3O4材料。
图3为各样品透射电镜图,其中,(a)Fe@SiO2@Fe材料;(b)Fe3O4@SiO2@Fe3O4材料;(c)Fe3O4@SiO2材料;(d)Fe3O4材料。
图4为大尺寸各向异性磁修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的X射线衍射谱。
图5为各样品相对复介电常数,其中,(a)相对复介电常数实部;(b)相对复介电常数虚部;(c)相对复磁导率实部和(d)相对复磁导率虚部。
图6为各样品不同厚度下的反射损耗值,其中,(a)Fe@SiO2@Fe材料;(b)Fe3O4@SiO2@Fe3O4材料;(c)Fe3O4@SiO2材料;(d)Fe3O4材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中,所用的氧化铁为立方体状氧化铁,并根据以下参考文献制备得到(Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspect 1998,134,265-279)。
其余如无特别说明的原料或处理技术,则表明其均为本领域的常规市售产品或常规处理技术。
实施例1
参见图1所示流程,大尺寸各向异性磁修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备:
首先30μL浓度为0.1g/mL的氧化铁水溶液注入10mL浓度为0.1g/mL聚乙烯吡咯烷酮(PVP、Mw=~55,000)的正戊醇溶液中,依次加入100μL浓度为0.2mol/L的柠檬酸钠水溶液、200μL氨水,1mL无水乙醇和100μL正硅酸四乙酯。每次加入后,都进行强搅拌。于60℃反应2h后,离心、洗涤、干燥后,得到Fe2O3@SiO2粉末。
称取50mg的Fe2O3@SiO2粉末分散在15ml丙酮中,加入50mg的二茂铁和850μL的过氧化氢(其质量分数为30%),并连续搅拌3小时。然后将溶液转移到高压反应釜中,在220℃下反应24h。冷却后,用磁铁将黑色的沉淀物分离出来,用丙酮洗涤干燥得到Fe2O3@SiO2@Fe3O4粉末。
将制备的Fe2O3@SiO2@Fe3O4粉末样品置于H2/Ar(5%H2)气氛下在800℃退火4小时,加热速率为2℃/min,得到目标产物Fe@SiO2@Fe材料
对比例1
小尺寸各向异性磁修饰的Fe3O4@SiO2@Fe3O4多支结构吸波材料的制备:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了改变样品退火温度为400℃。
对比例2
无磁修饰的Fe3O4@SiO2多支结构吸波材料的制备:
与对比例1相比,绝大部分都相同,除了缺少包覆四氧化三铁颗粒这一步骤,即省去了Fe2O3@SiO2粉末与二茂铁与双氧水在丙酮中的溶剂热反应。
对比例3
纯Fe3O4吸波材料的制备:
与对比例2相比,绝大部分都相同,除了缺少包覆二氧化硅这一步骤,即省去了Fe2O3粉末在聚乙烯吡咯烷酮的正戊醇溶液投入正硅酸四乙酯等一系列原料的溶胶凝胶反应。
上述实施例中的材料的微观形貌应用扫描电子显微镜表征(SEM,Hitachi SEM S-4800),样品制备方法:将粉末样品超声分散于乙醇后,再滴于导电硅片上烘干进行测试。一系列复合材料微观结构可通过透射电子电镜表征(TEM,JEOL JEM-2100F),样品制备方法:将粉末样品超声分散于乙醇后,再滴于碳支撑铜网上烘干进行测试。X射线衍射谱通过BrukerD8 Advance仪器上测得。使用型号为N5230C的矢量网络分析仪测试在2.0-18.0GHz范围内的复相对介电常数和磁导率。
图2为合成的不同组分磁性材料的扫描电镜图片,其中a为Fe@SiO2@Fe的微观形貌,b为Fe3O4@SiO2@Fe3O4的微观形貌,c为Fe3O4@SiO2的微观形貌,d为Fe3O4的微观形貌。从中可以观察到二氧化硅的包覆有效防止了磁性立方体状内核的团聚,立方体的六个面分别延伸生长出长度为2~4μm的二氧化硅,四氧化三铁颗粒通过与二氧化硅表面的硅氧基团形成Fe-O配位作用包覆到二氧化硅表面,呈各向异性分布。在400℃较低的还原温度下,还原不彻底,四氧化三铁颗粒没有发生团聚,以10-20nm大小的颗粒形式负载在二氧化硅表面。而在800℃的高温还原环境下,四氧化三铁被彻底还原为纯铁,磁性颗粒之间的磁吸引力大于Fe-O作用力,部分Fe-O断裂,表面的纳米磁性颗粒之间发生团聚,形成尺寸为150~200nm左右颗粒。
图3为上述实施例1、对比例1、对比例2、对比例3所制得的Fe@SiO2@Fe,Fe3O4@SiO2@Fe3O4,Fe3O4@SiO2,Fe3O4材料的透射电镜图片。形貌的变化与扫描图的分析结论类似,同时通过对比发现,随着还原温度的升高,立方体内部由于柯肯达尔效应产生了中空结构。
图4为上述实施例1、对比例1、对比例2、对比例3所制得的Fe@SiO2@Fe,Fe3O4@SiO2@Fe3O4,Fe3O4@SiO2,Fe3O4材料的X-射线衍射(XRD)分析。图中,实施例1只检测出了铁组分所对应的(110),(200)和(211)晶面,说明其内部的氧化铁与外部的四氧化三铁均被充分还原为纯铁,而所有对比例中仅检测出了四氧化三铁所对应的(111),(220)和(440)晶面,说明其内部的氧化铁与外部包覆的四氧化三铁颗粒均不能被充分还原,证实了还原温度的升高有利于磁性物质的充分还原。
图5为上述实施例1、对比例1、对比例2、对比例3所制得的Fe@SiO2@Fe,Fe3O4@SiO2@Fe3O4,Fe3O4@SiO2,Fe3O4材料所对应的各个吸波参数,包括复介电常数实部、虚部(ε'、ε”)和复磁导率实部、虚部(μ'、μ”),用来揭示其优异吸波性能的机理。复合材料的吸波性能主要源自于极化损耗能力和磁损耗。从图5d中可以看出,对比例3的ε'最高,达到13.49,因为磁性立方体的聚集使体积增大的同时提高了介电能量的存储。而它膨胀的体积和简单成分构成损害了介电耗散能力,导致ε”的降低。包覆介电损耗低的二氧化硅降低了Fe3O4@SiO2中的介电分量和磁性分量,因此如图5c所示,对比例2的四个吸波参数明显下降。进一步在二氧化硅表面包覆大量的Fe3O4颗粒使整体的磁性提升的同时增强了界面极化,从而导致更强的介电耗散能力,所以对比例1中四个参数均有所提升,如图5b所示。对于实施例1表现出6.93ε'和3.28ε”的原因主要是还原生成铁的形成有利于电子的传输。Fe@SiO2@Fe的复合磁导率也同步提升,μ'最高达到3.30,μ”为0.89。μ'的提升一定程度上是由于整体磁性的提升,而结构的特性导致材料更容易的磁化和退磁,有助于μ”。由于磁各向异性分布而形成的多尺度磁耦合体系,极大地扩大了磁响应范围,对磁导率的提升也起着重要作用。
图6为上述实施例1、对比例1、对比例2、对比例3所制得的Fe@SiO2@Fe,Fe3O4@SiO2@Fe3O4,Fe3O4@SiO2,Fe3O4材料在1.0-5.0mm厚度下,2.0-18.0GHz频率的反射损耗值。从中可以看出,实施例1的Fe@SiO2@Fe材料呈现出最好的吸波性能,在厚度为3.02mm时实现-44.1dB的反射损耗值,且有效吸收带宽可达到13GHz,而在厚度为5mm时可以覆盖15.4GHz的吸收频带。相比之下,对比例1的Fe3O4@SiO2@Fe3O材料其最强反射损耗值为-28.9dB,对应的厚度为1.8mm,吸收带宽最宽为9.5GHz。而对比例2的Fe3O4@SiO2i材料的吸波性能最差,其最强反射损耗值为-16.5dB,对应的厚度为2.5mm。对比例3的Fe3O4材料虽然最大反射损耗值可以达到-52.5dB,对应厚度在4.0mm,带宽也只有4.32GHz。从中可以看出实施例1材料具有最优异的吸波性能。
总的来说,本发明的这种大尺寸各向异性磁修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料在2.0-18.0GHz频率范围内展现出优异的宽频性能。本发明利用立方体结构的内核包覆二氧化硅,六个立方平面延伸出棒状二氧化硅,高温还原后内部形成蛋黄-壳结构,二氧化硅表面的颗粒状铁颗粒构成双壳层的多支结构。本发明合成的材料性能优异,在微波吸收领域有广阔的应用前景。
实施例2:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了调节包覆四氧化三铁的量,使得二茂铁与Fe2O3@SiO2粉末的质量比为2:1。
实施例3:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了调节包覆四氧化三铁的量,使得二茂铁与Fe2O3@SiO2粉末的质量比为1:2。
实施例4:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了调节滴加双氧水后搅拌的时间为0.5h。
实施例5:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了调节滴加双氧水后搅拌的时间为1.5h。
实施例6:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制戊醇添加量不变,并调整其他组分添加量,满足聚乙烯吡咯烷酮与戊醇的添加量之比为0.8g:10mL;氧化铁的水分散液与戊醇的体积比为2:1000;柠檬酸钠水溶液与戊醇的体积比为0.8:100;氨水、无水乙醇、正硅酸乙酯三者与戊醇的体积比分别为2.5:100、0.8:10、0.8:100。
实施例7:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制戊醇添加量不变,并调整其他组分添加量,满足聚乙烯吡咯烷酮与戊醇的添加量之比为1.2g:10mL;氧化铁的水分散液与戊醇的体积比为4:1000;柠檬酸钠水溶液与戊醇的体积比为1.2:100;氨水、无水乙醇、正硅酸乙酯三者与戊醇的体积比分别为1.5:100、1.2:10、1.2:100。
实施例8:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制得到Fe2O3@SiO2粉末前的反应的温度为50℃,时间为3h。
实施例9:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制得到Fe2O3@SiO2粉末前的反应的温度为70℃,时间为1h。
实施例10:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制丙酮添加量不变,调整其他组分添加量,以满足Fe2O3@SiO2粉末与丙酮的添加量之比为40mg:15mL;
二茂铁和Fe2O3@SiO2粉末的质量比为0.5:1;
双氧水与丙酮的体积比为1.7mL:15mL。
实施例11:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制丙酮添加量不变,调整其他组分添加量,以满足Fe2O3@SiO2粉末与丙酮的添加量之比为60mg:15mL;
二茂铁和Fe2O3@SiO2粉末的质量比为2:1;
双氧水与丙酮的体积比为425μL:15mL。
实施例12:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制在高压反应釜中水热反应的温度为200℃,时间为36h。
实施例13:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制在高压反应釜中水热反应的温度为250℃,时间为12h。
实施例13:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制氢氩气氛中氢气的体积分数为4%,退火温度为900℃,时间为3h。
实施例14:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了控制氢氩气氛中氢气的体积分数为6%,退火温度为700℃,时间为5h。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)称取聚乙烯吡咯烷酮溶于戊醇中,依次加入氧化铁的水分散液、柠檬酸钠水溶液、氨水、无水乙醇和正硅酸乙酯,摇晃均匀后静置,随后离心、洗涤、干燥,得到Fe2O3@SiO2粉末;
(2)将Fe2O3@SiO2粉末重新分散于丙酮中,加入二茂铁,超声,随后加入双氧水,继续搅拌,得到前驱体溶液;
(3)将前驱体溶液进行水热反应,所得反应产物分离、洗涤、干燥,得到Fe2O3@SiO2@Fe3O4粉末;
(4)将Fe2O3@SiO2@Fe3O4粉末在氢氩气氛下退火,即得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,聚乙烯吡咯烷酮与戊醇的添加量之比为(0.8~1.2)g:10mL。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,氧化铁的水分散液的质量分数为0.08~0.12g/mL,氧化铁的水分散液与戊醇的体积比为(2~4):1000;
柠檬酸钠水溶液的浓度为0.15~0.25mol/L,柠檬酸钠水溶液与戊醇的体积比为(0.8~1.2):100;
氨水的质量分数为25~28%,无水乙醇的纯度≥99.7%,且氨水、无水乙醇、正硅酸乙酯三者与戊醇的体积比分别为(1.5~2.5):100、(0.8~1.2):10、(0.8~1.2):100。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,静置的温度为50~70℃,时间为1~3h。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,Fe2O3@SiO2粉末与丙酮的添加量之比为(40~60)mg:15mL。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,二茂铁和Fe2O3@SiO2粉末的质量比为(0.5~2):1;
双氧水的浓度为25~35wt%,双氧水与丙酮的体积比为(425μL~1.7mL):15mL。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,水热反应的温度为200~250℃,时间为12~36h。
8.根据权利要求1所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,氢氩气氛中氢气的体积分数为4~6%,退火温度为700~900℃,时间为3~5h。
9.一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料,其采用如权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到。
10.如权利要求9所述的一种大尺寸磁各向异性修饰的Fe@SiO2@Fe多支结构吸波材料在微波吸收领域中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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