CN114939663B - 一种3d打印用钯粉及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域,提供了一种3D打印用钯粉及其制备方法和应用。本发明先将原料钯粉预球磨后进行第一过筛,筛下得到预磨钯粉,然后将所述预磨钯粉细化球磨后进行第二过筛,筛下得到细化钯粉;之后将所述细化钯粉进行球化球磨,得到3D打印用钯粉。本发明采用多步球磨法,通过严格控制制备过程中的步骤先后顺序、球磨转速等参数特征获得的金属钯粉流动性好、收率高、球形度高、纯度高,可用于3D打印。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域,具体涉及一种3D打印用钯粉及其制备方法和应用。
背景技术
钯是一种优异的表面催化材料,其催化性能受其比表面积的影响很大,高比表面积的钯粉在流体催化领域常常出现催化剂流失甚至污染样品的情况,而普通块体钯材料的比表面积低、无法实现高效催化,制备高孔隙度的钯块体是获得高性能催化材料的有效途径。激光选区熔化增材制造技术(SLM)是目前应用最广泛的3D打印技术之一,可以实现高孔隙度、复杂结构的有效设计及成型,并且能够通过数字模型设计来规避盲孔盲道,对于制备高表面积、高活性的块体钯催化剂具备一定的优势。
然而,3D打印要求金属粉球形度高、杂质含量低、粒径细小,否则影响打印产品的品质甚至打印工艺的成败。目前,市面上并没有商业化可用于3D打印的球形钯粉销售。常规的3D打印用金属粉的制备方法包括气体雾化法、旋转电极法、等离子体球化法等方法。雾化法是通过高速运动的雾化介质(如惰性气体)冲击熔融金属液体,破碎的金属小液滴在较大冷却速率和表面张力下凝固成球形粉末。雾化法是目前制备3D打印金属粉体的主流方法,但是该方法的细粉收得率普遍低于40%,且由于雾化介质的冲击易形成缺陷粉末,导致球化效果较差。旋转电极法是加热熔融的金属液滴在高速旋转的金属棒材产生的离心力下分离成金属小液滴,再快速冷却凝固成球形粉末。旋转电极法可获得高纯度球形粉,但是该制粉设备昂贵,同时细粉收得率仅20%左右,不适于高活性金属粉体制备。等离子体球化法是通过等离子体加热金属至完全融化成金属液滴,再快速冷却成球形粉末。该方法要求大批量制粉,并且粉末的损耗也在30%以上,大批量制备特点及低收粉率会导致稀贵金属钯制备工艺一次性投入成本过高。上述这些制备金属粉的方法不适合制备3D打印用钯粉。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种3D打印用钯粉及其制备方法和应用,本发明提供的制备方法收得率高,且所得3D打印用钯粉流动性好、纯度高、球形度高,完全满足3D打印用钯粉的需求。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
本发明提供了一种3D打印用钯粉的制备方法,包括以下步骤:
(1)将原料钯粉预球磨后进行第一过筛,筛下得到预磨钯粉;所述预球磨的转速为50~150r/min;所述第一过筛用筛网目数为250目;
(2)将所述预磨钯粉细化球磨后进行第二过筛,筛下得到细化钯粉;所述细化球磨的转速为200~300r/min;所述第二过筛用筛网目数为400目;
(3)将所述细化钯粉进行球化球磨,得到3D打印用钯粉;所述球化球磨的转速为50~150r/min;所述球化球磨为间歇式球磨,球磨1~30min,停1~30min。
优选的,所述原料钯粉为海绵钯,粒径不大于200μm。
优选的,所述预球磨时,原料钯粉与磨球的质量比为1:8~15;所述预球磨的时间为5~10h。
优选的,所述第二过筛后,还包括将所得筛上物继续进行细化球磨和第二过筛,重复细化球磨和第二过筛,直至所得细化钯粉的质量为所述预磨钯粉质量的90%以上。
优选的,所述细化球磨的单次球磨时间为5~10h;所述细化球磨时,预磨钯粉与磨球的质量比为1:8~15。
优选的,所述预球磨、细化球磨和球化球磨使用的磨球均包含大磨球和小磨球;所述大磨球直径为4~8mm;所述小磨球直径为1~4mm;所述大磨球与小磨球的数量比为4~8:1。
优选的,所述预球磨与细化球磨的球磨速率比为1:2~6;所述预球磨与球化球磨的球磨速率比为1:1~3。
优选的,所述球化球磨时,细化钯粉与磨球的质量比为1:8~15;所述球化球磨时间为20~30h。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的3D打印用钯粉,所述3D打印用钯粉的粒径为15~55μm,球形度≥70%,杂质氧增量≤300ppm,氮增量≤200ppm,碳增量≤50ppm。
本发明还提供了上述技术方案所述3D打印用钯粉在3D打印制备多孔结构钯中的应用。
本发明提供了一种3D打印用钯粉的制备方法,包括以下步骤:(1)将原料钯粉预球磨后进行第一过筛,得到预磨钯粉;所述预球磨的转速为50~150r/min;所述第一过筛用筛网目数为250目,筛下物为预磨钯粉;(2)将所述预磨钯粉细化球磨后进行第二过筛,得到细化钯粉,所述细化球磨的转速为200~300r/min;所述第二过筛用筛网目数为400目,筛下物为细化钯粉;(3)将所述细化钯粉进行球化球磨,得到3D打印用钯粉;所述球化球磨的转速为50~150r/min;所述球化球磨为间歇式球磨,球磨1~30min,停1~30min。本发明先通过预球磨将原料钯粉中结块的粉体打碎,粉体颗粒会经过反复的压延、断裂、结合,呈现为层状或其他形状的不规则状粉末颗粒,再通过细化球磨使不规则粉末颗粒进一步细化,最后通过球化球磨使得粉末颗粒经历多次延展、断裂、结合的过程,使得颗粒球化,最终获得3D打印用钯粉。本发明通过严格控制制备过程中的步骤先后顺序、球磨转速等参数特征获得的金属钯粉流动性好、收率高、球形度高、纯度高,可用于3D打印。
附图说明
图1为本发明提供的3D打印用钯粉的制备方法的流程示意图;
图2为实施例1制备过程中不同阶段的原料钯粉OM形貌图;
图3为对比例1制备得到的金属钯粉SEM形貌图;
图4为3D打印用钯粉在3D打印制备多孔结构钯中的应用例。
具体实施方式
本发明提供了一种3D打印用钯粉的制备方法,包括以下步骤:
(1)将原料钯粉预球磨后进行第一过筛,筛下得到预磨钯粉;所述预球磨的转速为50~150r/min;所述第一过筛用筛网目数为250目;
(2)将所述预磨钯粉细化球磨后进行第二过筛,筛下得到细化钯粉,所述细化球磨的转速为200~300r/min;所述第二过筛用筛网目数为400目;
(3)将所述细化钯粉进行球化球磨,得到3D打印用钯粉;所述球化球磨的转速为50~150r/min;所述球化球磨为间歇式球磨,球磨1~30min,停1~30min。
本发明将原料钯粉进行预球磨后进行第一过筛,筛下得到预磨钯粉。在本发明中,所述预球磨的转速为50~150r/min,优选为100~150r/min;所述第一过筛用筛网目数为250目。在本发明中,所述原料钯粉优选为海绵钯,所述原料钯粉的加入量优选为20~200g/次;所述原料钯粉与磨球的总体积优选不超过球磨罐容积的三分之二,所述原料钯粉的粒径优选为不大于200μm,更优选为100μm~200μm。本发明对所述原料钯粉的来源没有特别的要求,采用市售的海绵钯即可。在本发明中,所述原料钯粉是高韧性材料,球磨强度过高则形成大尺寸非规则结构钯(如钯片),球磨速度过低则影响效率。
在本发明中,所述预球磨时,原料钯粉与磨球的质量比优选为1:8~15,更优选为1:8~10;所述预球磨的时间优选为5~10h,更优选为8~10h。在本发明中,所述预球磨是以一定的球磨转速将结块的粉体打碎,粉体颗粒会经过反复的压延、断裂、结合,最终呈现为层状或其他形状的不规则状粉末颗粒。
得到预磨钯粉后,本发明将所述预磨钯粉细化球磨后进行第二过筛,筛下得到细化钯粉。在本发明中,所述细化球磨的转速为200~300r/min,优选为200~250r/min;所述第二过筛用筛网目数为400目。在本发明中,所述第二过筛后,还优选包括将所得筛上物继续进行细化球磨和第二过筛,重复细化球磨和第二过筛,直至所得细化钯粉的质量为所述预磨钯粉质量的90%以上;所述细化球磨的单次球磨时间优选为5~10h,更优选为8~10h,所述预球磨与细化球磨的球磨速率比优选为1:2~6,更优选为1:2;所述细化球磨时,预磨钯粉与磨球的质量比为1:8~15,更优选为1:8~10;所述第一过筛和第二过筛优选在真空手套箱中进行。在本发明中,所述细化球磨是通过磨球的持续作用下使通过预磨获得的层状粉末颗粒进一步细化,获得粒径15~55μm的粉末颗粒。由于球磨过程中钯粉不断破碎、团聚,若球磨速度过低则无法对团聚钯粉进一步破碎,若球磨速度过高则由于钯粉下沉无法充分球磨,得不到目标粒径范围的细粉,本发明将细化球磨的转速控制在上述范围内,能够实现钯粉细化的目的。
得到细化钯粉后,本发明将所述细化钯粉进行球化球磨,得到3D打印用钯粉。在本发明中,所述球化球磨的转速为50~150r/min,优选为100~150r/min。在本发明中,所述球化球磨优选为间歇式球磨,球磨1~30min,停1~30min,更优选为球磨5~10min,停5~10min,最优选为球磨10min,停10min。所述预球磨与球化球磨的球磨速率比优选为1:1~3,更优选为1:1;所述球化球磨时,细化钯粉与磨球的质量比为1:8~15,更优选为1:8~10;所述球化球磨的球磨时间优选为20~30h,更优选为20~25h,进一步优选为22h;球化球磨的总时间优选为40h,其中包括球磨时间和停止时间。在本发明中,所述球化球磨是通过低速、长时间的球磨,使得粉末颗粒经历多次延展、断裂、结合的过程,使得大部分颗粒球化,达到钯粉颗粒等轴化目的,获得粒径合适、流动性较好的可用于3D打印用钯粉。同时,由于球化阶段的钯粉具备高比表面积和高能量,钯粉易团聚、易高温焊接形成大颗粒,需要控制间歇式球磨的球磨时间和停止时间。间歇式球磨的球磨时间过长,容易发生大范围团聚,间歇式球磨的球磨时间过短则球化效率低,同时停止时间过长则会增加时间成本降低球化效率,停止时间过短导致冷却时间过短,则容易降低钯粉球化质量。
在本发明中,所述预球磨、细化球磨和球化球磨使用的磨球优选均包含大磨球和小磨球;所述大磨球的直径优选为4~8mm;所述小磨球的直径优选为1~4mm;所述大磨球与小磨球的数量比优选为4~8:1。在本发明中,球磨罐和所述磨球的材质均优选为碳化钨或刚玉,更优选为碳化钨材质,碳化钨密度高、硬度大,同时钯粉易在碳化钨磨球表面形成钯粉薄镀层,从而减少磨球污染球磨粉体的概率,有利于获得高纯度钯粉。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的3D打印用钯粉,所述3D打印用钯粉的粒径为15~55μm,球形度≥70%,杂质氧增量≤300ppm,氮增量≤200ppm,碳增量≤50ppm。
本发明还提供了上述技术方案所述3D打印用钯粉在3D打印制备多孔结构钯中的应用。本发明对所述应用没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的方法应用即可。
下面结合实施例对本发明提供的一种3D打印用钯粉及其制备方法和应用进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
图1为本发明实施例中制备3D打印用钯粉的流程示意图,本发明通过多步球磨法,先对原料钯粉进行预球磨,再进行细化球磨,最后球化球磨,最终得到3D打印用钯粉。
实施例1
在真空手套箱中取出100g海绵钯(粒径≤200μm)装入0.4L碳化钨球磨罐中,碳化钨磨球质量1000g且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,以100r/min的低速运行10小时,在真空手套箱中过250目筛网,筛下得到预磨钯粉;将预磨钯粉继续球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,将转速提升至200r/min中转速运行10小时,然后在真空手套箱中过400目筛网,筛下得到细化钯粉,筛上物继续细化球磨和过400目筛,重复进行三次(单次细化球磨时间为10小时),即可获得粒径为15~55μm细化钯粉。将细化钯粉进行间歇式球化球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,球化球磨转速为100r/min,低转速运行20h(期间磨10min,停10min,共计40h),获得粒径合适、流动性较好的3D打印用钯粉。
采用光学显微镜观察原料钯粉、预磨阶段、细化阶段和球化阶段的钯粉,得到不同阶段钯粉OM形貌图,结果如图2所示,由图2可知,原料钯粉经过预球磨后获得不规则状钯粉,细化球磨后,粒径分布范围变窄,分散均匀,球化球磨后,原料钯粉基本呈等轴化形态,满足流动性要求。
对原料钯粉和最终所得球化钯粉(即3D打印用钯粉)的元素含量进行ICP-MS测试,结果见表1:
表1实施例1中原料和3D打印用钯粉的ICP-MS结果
本实施例中,100g海绵钯通过本发明的制备方法制得3D打印用钯粉82g,收得率达82%,3D打印用钯粉颗粒为10~46μm,分散均匀,平均粒径约20μm,颗粒大部分呈球形,整体上球形度大于70%。通过ICP-MS测试(表1)表明,本发明中原料钯粉经过三次球磨后产生的碳增量为3ppm,氧增量为254ppm,氮增量为120ppm,铁增量为8ppm,引入杂质含量较少,最终获得3D打印用钯粉纯度高。
实施例2
在真空手套箱中取出20g海绵钯(粒径≤200μm)装入0.4L刚玉球磨罐中,刚玉磨球质量200g且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,以100r/min的低速运行10小时,在真空手套箱中过250目筛网,筛下得到预磨钯粉;将预磨钯粉继续球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,将转速提升至200r/min中转速运行10小时,然后在真空手套箱中过400目筛网,筛下得到细化钯粉,筛上物继续细化球磨和过400目筛,重复进行三次(单次细化球磨时间为10小时),即可获得粒径为15~55μm细化钯粉。将细化钯粉进行间歇式球化球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,球化球磨转速为100r/min,低转速运行20h(期间磨10min,停10min,共计40h),获得粒径合适、流动性较好的3D打印用钯粉。
与实施例1不同之处在于:
(1)海绵钯和磨球质量同比缩小5倍,为20g海绵钯和200g磨球;
(2)碳化钨球磨罐改为刚玉球磨罐,碳化钨磨球改为刚玉磨球。
对原料钯粉和最终所得球化钯粉(即3D打印用钯粉)的元素含量进行ICP-MS测试,结果见表2:
表2实施例1中原料和3D打印用钯粉的ICP-MS结果
本实施例中,制得的3D打印用钯粉粒径分布为14~50um,平均粒径22um,颗粒整体上球形度大于70%,产品收得率大于80%。通过ICP-MS测试(表2)表明,本实施例中原料钯粉经过三次球磨后产生的碳增量为10ppm,氧增量为290ppm,氮增量为119ppm,铁增量12ppm,满足3D打印要求。但是整体上杂质含量略高于实施例1中碳化钨磨球所获得的的钯粉,可能是由于刚玉球磨罐和磨球材质硬度和耐磨性低于碳化钨,极少量刚玉在球磨过程中进入钯粉所产生。
实施例3
在真空手套箱中取出20g海绵钯(粒径≤200μm)装入0.4L碳化钨球磨罐中,碳化钨磨球质量200g且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,以150r/min的低速运行10小时,在真空手套箱中过250目筛网,筛下得到预磨钯粉;将预磨钯粉继续球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,将转速提升至300r/min中转速运行10小时,然后在真空手套箱中过400目筛网,筛下得到细化钯粉,筛上物继续细化球磨和过400目筛,重复进行三次(单次细化球磨时间为10小时),即可获得粒径为15~55μm细化钯粉。将细化钯粉进行间歇式球化球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,球化球磨转速为150r/min,低转速运行20h(期间磨10min,停10min,共计40h),获得粒径合适、流动性较好的3D打印用钯粉。
与实施例1不同之处在于:
(1)海绵钯和磨球质量同比缩小5倍,为20g海绵钯和200g磨球;
(2)预球磨速度由100r/min提高至150r/min,细化球磨速度由200r/min提高至300r/min,球化球磨速度由100r/min提高至150r/min。
本实施例中,制得的3D打印用钯粉粒径分布为5~55μm,平均粒径25μm,产品收得率大于80%,碳增量为5ppm,氧增量为250ppm,氮增量为100ppm,杂质含量低,且等轴化程度较高,球形度大于30%,满足3D打印的铺粉标准。相比于实施例1,球形度略有下降,可能是由于转速提高,粉末产热量大,球化球磨阶段停机时间不足导致球化粉末部分团聚长大所致。
实施例4
在真空手套箱中取出20g海绵钯(粒径≤200μm)装入0.4L碳化钨球磨罐中,碳化钨磨球质量200g且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,以100r/min的低速运行10小时,在真空手套箱中过250目筛网,筛下得到预磨钯粉;将预磨钯粉继续球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,将转速提升至300r/min中转速运行10小时,然后在真空手套箱中过400目筛网,筛下得到细化钯粉,筛上物继续细化球磨和过400目筛,重复进行三次(单次细化球磨时间为10小时),即可获得粒径为15~55μm细化钯粉。将细化钯粉进行间歇式球化球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,球化球磨转速为100r/min,低转速运行20h(期间磨10min,停10min,共计40h),获得粒径合适、流动性较好的3D打印用钯粉。
与实施例1不同之处在于:
(1)海绵钯和磨球质量同比缩小5倍,为20g海绵钯和200g磨球;
(2)细化阶段球磨速度由200r/min提高至300r/min。
本实施例中,制得的3D打印用钯粉粒径分布为25~55μm,平均粒径32μm,产品收得率大于80%,碳增量为10ppm,氧增量为240ppm,氮增量为100ppm,杂质含量低,且等轴化程度较高,球形度大于70%,满足3D打印的铺粉标准。相比于实施例1,平均粒径增大,可能是细化阶段转速略高,对于高韧性的钯粉破碎效果反而降低,形成整体尺寸略大的粉末,但是仍能满足使用要求。
对比例1
在真空手套箱中取出20g海绵钯(粒径≤200μm)装入0.4L碳化钨球磨罐中,碳化钨磨球质量200g且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,以100r/min的低速运行10小时,在真空手套箱中过250目筛网,筛下得到预磨钯粉;将预磨钯粉继续球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,将转速提升至200r/min中转速运行10小时,然后在真空手套箱中过400目筛网,筛下得到细化钯粉,筛上物继续细化球磨和过400目筛,重复进行三次(单次细化球磨时间为10小时),即可获得粒径为15~55μm细化钯粉。将细化钯粉进行球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,球磨转速为100r/min,低转速运行40h,获得金属钯粉。
与实施例1不同之处在于:
(1)海绵钯和磨球质量同比缩小5倍,为20g海绵钯和200g磨球;
(2)得到细化钯粉后进行的球磨不做停机处理,直接球磨40小时。
对比例1获得的金属钯粉SEM形貌如图3所示。根据图3可以看出,球化球磨后的钯粉重新团聚为大颗粒,颗粒粒径40~100μm,不满足3D打印铺粉标准。
对比例2
在真空手套箱中取出20g海绵钯(粒径≤200μm)装入0.4L碳化钨球磨罐中,碳化钨磨球质量200g且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,以100r/min的低速运行10小时,在真空手套箱中过250目筛网,筛下粉为所得预磨钯粉;将预磨钯粉继续球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,将转速提升至200r/min中转速运行10小时,然后在真空手套箱中过400目筛网,筛下得到细化钯粉,筛上物继续细化球磨和过400目筛,重复进行三次(单次细化球磨时间为10小时),即可获得粒径为15~55μm细化钯粉。将细化钯粉进行间歇式球化球磨,控制球料质量比10:1且直径5mm和3mm的磨球数量比为5:1,球化球磨转速为500r/min,低转速运行20h(期间磨10min,停10min,共计40h),获得金属钯粉。
与实施例1不同之处在于:
(1)海绵钯和磨球质量同比缩小5倍,为20g海绵钯和200g磨球;
(2)球化球磨转速由100r/min提高至500r/min。
对比例2获得的金属钯粉多为尺寸20~70μm长条状粉末,等轴粉体较少,不满足3D打印铺粉标准。
应用例1
采用实施例1制备的钯粉进行3D打印,打印时设定激光功率为150W,激光扫描速度为500mm/s,打印所得成型件如图4所示。根据图4可以看出,本发明制备的钯粉满足3D打印的标准,利用3D打印技术成功制备了不同形状(正方体、圆柱体)、不同尺寸的多孔结构钯,并通过参数调整可控制结构及孔隙率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,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,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种3D打印用钯粉的制备方法,包括以下步骤:
(1)将原料钯粉预球磨后进行第一过筛,筛下得到预磨钯粉;所述预球磨的转速为50~150r/min;所述第一过筛用筛网目数为250目;
(2)将所述预磨钯粉细化球磨后进行第二过筛,筛下得到细化钯粉;所述细化球磨的转速为200~300r/min;所述第二过筛用筛网目数为400目;
(3)将所述细化钯粉进行球化球磨,得到3D打印用钯粉;所述球化球磨的转速为50~150r/min;所述球化球磨为间歇式球磨,球磨1~30min,停1~30min;
所述预球磨时,原料钯粉与磨球的质量比为1:8~15;所述预球磨的时间为5~10h;
所述细化球磨的单次球磨时间为5~10h;所述细化球磨时,预磨钯粉与磨球的质量比为1:8~15;
所述预球磨与细化球磨的球磨速率比为1:2~6;所述预球磨与球化球磨的球磨速率比为1:1~3;
所述球化球磨时,细化钯粉与磨球的质量比为1:8~15;所述球化球磨时间为20~30h。
2.根据权利要求1的制备方法,其特征在于,所述原料钯粉为海绵钯,粒径不大于200μm。
3.根据权利要求1的制备方法,其特征在于,所述第二过筛后,还包括将所得筛上物继续进行细化球磨和第二过筛,重复细化球磨和第二过筛,直至所得细化钯粉的质量为所述预磨钯粉质量的90%以上。
4.根据权利要求1的制备方法,其特征在于,所述预球磨、细化球磨和球化球磨使用的磨球均包含大磨球和小磨球;所述大磨球直径为4~8mm;所述小磨球直径为1~4mm;所述大磨球与小磨球的数量比为4~8:1。
5.根据权利要求1~4任一项所述制备方法制得的3D打印用钯粉,所述3D打印用钯粉的粒径为15~55μm,球形度≥70%,杂质氧增量≤300 ppm,氮增量≤200 ppm,碳增量≤50 ppm。
6.根据权利要求5所述3D打印用钯粉在3D打印制备多孔结构钯中的应用。
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