CN118073090A - 百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法及高压脉冲电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法及高压脉冲电容器,该方法,包括:形成电容器的3D模型并顺序的形成3D打印电容器的切片,切片的平面图案包括叉指状的阳极电极和阴极电极以及位于阳极电极和阴极电极之间的绝缘介质层;采用多材料复合喷墨3D打印方式,对电容器的各切片按顺序逐层进行一体成型3D打印,形成电容器的整体结构,其中,阳极电极和阴极电极通过沉积纳米金属颗粒并高温团聚形成,绝缘介质层通过沉积绝缘材料形成。本发明能够提高高压脉冲电容器的绝缘性能,使其具有超过百万次的使用寿命,以满足高性能系统对脉冲电容器可靠性和持久性的要求。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率领域,更具体地,涉及一种百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法及高压脉冲电容器。
背景技术
在脉冲功率领域,高压脉冲电容器是一种至关重要的元件,广泛应用于核聚变、辐射源、雷达、医疗成像、高能物理实验等需要高频高压脉冲的系统中。然而,传统高压脉冲电容器在实际应用中常常遇到一系列问题,其中包括但不限于寿命短、电容损失、击穿现象等,这些问题直接制约了其在高性能系统中的应用。
传统高压脉冲电容器通常采用介电材料来隔离电极,以存储和释放电能。然而,由于在高压脉冲工作条件下,电容器内部会经历剧烈的电场变化和电流冲击,这导致了电介质材料容易击穿、氧化,从而降低了电容器的寿命。此外,由于电容器的电介质不可避免地存在微小缺陷,使得电介质工作场强明显低于电介质材料的可用潜力,在电磁应力作用下,这些缺陷在高压脉冲工作中可能被放大,导致电容器漏电流指数式增加、失效。
传统高压脉冲电容器阴极、阳极容易产生毛刺、锐边等结构,使得局部电场发生畸变而显著增强,限制电容器实际工作电压的提升;采用焊接方式来引出阴、阳电极,在电磁应力反复作用下,焊接引出结构极易发生疲劳失效、断裂,导致电容器失效,缩短电容器寿命。
发明内容
本发明的目的是提出一种百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法及高压脉冲电容器,能够提高高压脉冲电容器的绝缘性能,使其具有超过百万次的使用寿命,以满足高性能系统对脉冲电容器可靠性和持久性的要求。
为实现上述目的,本发明提出了一种百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,包括:
形成电容器的3D模型并顺序的形成3D打印所述电容器的切片,所述切片的平面图案包括叉指状的阳极电极和阴极电极以及位于所述阳极电极和阴极电极之间的绝缘介质层;
采用多材料复合喷墨3D打印方式,对所述电容器的各切片按顺序逐层进行一体成型3D打印,形成所述电容器的整体结构,其中,所述阳极电极和阴极电极通过沉积纳米金属颗粒形成,所述绝缘介质层通过沉积绝缘材料形成。
可选地,对所述电容器的各切片按顺序逐层进行一体成型3D打印包括:
采用纳米金属墨水沉积阳极电极和阴极电极,并通过第一固化工艺进行固化;
采用介电墨水在所述阳极电极和阴极电极之间沉积绝缘介质层,并通过第二固化工艺进行固化;
重复上述步骤,按顺序打印制作出剩余的每层切片,逐层堆积形成所述电容器的整体结构。
可选地,所述切片的平面图案还包括位于所述阳极电极与所述绝缘介质层之间以及所述阴极电极与所述绝缘介质之间的过渡层;
在采用介电墨水在所述阳极电极和所述阴极电极之间沉积绝缘介质层之前,还包括:
采用掺杂一定比例纳米金属颗粒的介电墨水和所述第二固化工艺在所述阳极电极和所述阴极电极的边缘形成所述过渡层。
可选地,在采用纳米金属墨水打印所述阳极电极和所述阴极电极的过程中,通过切片叠层方式对所述阳极电极和所述阴极电极的边缘进行局部圆滑修型。
可选地,在所述电容器的3D模型的阳极电极、阴极电极和绝缘介质层中设计有微孔结构;
在打印制作所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层的过程中,在设计微孔结构的位置沉积可溶性打印材料,在打印完成后,采用对应的溶剂将所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层中沉积的可溶性打印材料溶蚀去除,以形成所述微孔结构。
可选地,在所述电容器的3D模型的阳极电极、阴极电极和绝缘介质层中设计有微孔结构;
在打印制作所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层的过程中,在设计微孔结构的位置不沉积相应的打印材料,以在所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层中形成所述微孔结构。
可选地,所述纳米金属墨水包括纳米金属颗粒和可蒸发有机溶剂。
可选地,所述纳米金属颗粒的类型包括纳米银颗粒、纳米铜颗粒或纳米钛颗粒中的至少一种。
可选地,所述第一固化工艺为红外热固化工艺,通过所述红外热固化工艺使所述纳米金属墨水中的所述可蒸发有机溶剂蒸发,留下的纳米金属颗粒在100℃~200℃温度下团聚形成所述阳极电极和所述阴极电极。
可选地,所述介电墨水包括绝缘材料,且所述介电墨水具有低粘性和低表面张力性能。
可选地,所述绝缘材料为聚酰亚胺、苯并环丁烯或其它具有较强绝缘性能的高分子材料;或者,所述绝缘材料为聚酰亚胺、苯并环丁烯或其它具有较强绝缘性能的高分子材料中的一种或多种组合,并均匀掺杂陶瓷或金属纳米颗粒。
可选地,所述第二固化工艺为光固化工艺,通过光固化工艺使所述绝缘材料固化形成所述绝缘介质层。
可选地,打印出的每层切片的厚度为2-10μm。
可选地,打印出的单层电极的厚度为0.1-1μm,打印出的单层绝缘介质层的厚度为1-10μm。
本发明还提出一种百万次寿命高压脉冲电容器,所述电容器包括薄膜电极结构,所述薄膜电极结构包括多个并联的阳极电极片和多个并联的阴极电极片,所述阳极电极片和所述阴极电极片交替层叠,所述阳极电极片和所述阴极电极片之间设有绝缘介质层;所述电容器利用以上所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法制作而成。
可选地,所述阳极电极片、所述阴极电极片与所述绝缘介质层之间设有过渡层,所述过渡层为掺杂与金属墨水相同的纳米金属颗粒的绝缘材料,以增强所述阳极电极片、所述阴极电极片与所述绝缘层的界面结合力。
可选地,所述阳极电极片和所述阴极电极片的边缘为圆滑过渡结构。
可选地,所述阳极电极片、所述阴极电极片和所述绝缘介质层中设有微孔结构。
可选地,所述阳极电极片和所述阴极电极片的厚度为1-100μm。
可选地,所述绝缘介质层的厚度为20μm-1mm。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明的百万次寿命高压脉冲电容器制作方法,使用先进的多材料复合喷墨打印技术对电容器进行一体成型3D打印制作,将不同的材料分别采用热固化和光固化工艺按该层平面图案设计交替堆叠,然后将平面图案逐层堆积,形成电容器整体结构,由于电容器整体采用3D打印一体成型,因此结构紧密、层间气隙极小无气泡,脉冲电容器局部放电较难产生且不易击穿失效,同时由于局部放电大大降低,从而电容器内部温升更小,进而大大延长脉冲电容器使用寿命,使其寿命达到百万次,满足高性能系统对脉冲电容器可靠性和持久性的要求。
(2)在电容器打印制作过程中,打印电极的单层层厚可控制在亚微米级,打印绝缘介质层的单层层厚可控制在数微米,可精确控制金属薄膜电极以及绝缘介质层的厚度误差,实现电容器电极和绝缘介质层的微米级精确布局,从而提高层间结构的紧密性和层间结合强度,进而提高电容器结构强度、降低脉冲电容器内阻,优化了电容器的性能和寿命。
(3)本发明在3D打印过程中,在金属电极与绝缘介质层之间使用一定比例纳米金属银颗粒掺杂的介电墨水通过光固化工艺建立过渡层,可有效提升两种材料之间的结合强度。
(4)本发明采用喷墨方式打印绝缘介质,便于通过纳米颗粒均匀掺杂的方法精确调节介电墨水的介电常数,可依据不同应用需求,获得储能密度高、可控性强的系列脉冲电容器。
(5)本发明打印绝缘介质层采用的介电墨水具有低粘性、低表面张力性能,有利于形成均匀无气隙的液膜,固化后形成的绝缘材料单层层厚在1~10微米,由此逐层堆积而成的绝缘材料内部不易产生传统工艺难以避免的较大尺度缺陷,可最大化电容器耐压性能。
(6)本发明采用纳米金属墨水打印金属电极,单层堆积层厚可低至0.1~1微米,电极可厚至100微米,由此堆积而成的电极可对局部进行圆滑修型,大幅度改善降低金属电极边缘的场畸变程度,消除电极尖端劣化现象,降低电容器内阻,有利于明显提升电容器耐压性能和寿命。
(7)本发明在电容器电极和绝缘介质层中形成微孔结构,该微孔结构可大大提高有效散热面积,降低整体成型的电容器内应力,有利于提高电容器的性能和高负荷脉冲工况下的使用寿命。
本发明的系统具有其它的特性和优点,这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的,或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述,这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,在本发明示例性实施例中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一种百万次寿命高压脉冲电容器制作方法的步骤图。
图2示出了根据本发明的一种百万次寿命高压脉冲电容器制作方法示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整,并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,包括:
S1:形成电容器的3D模型并顺序的形成3D打印电容器的切片,切片的平面图案包括叉指状的阳极电极和阴极电极以及位于阳极电极和阴极电极之间的绝缘介质层;
S2:采用多材料复合喷墨3D打印方式,对电容器的各切片按顺序逐层进行一体成型3D打印,形成电容器的整体结构,其中,阳极电极和阴极电极通过沉积纳米金属颗粒并高温团聚形成,绝缘介质层通过沉积绝缘材料形成。
如图2所示,在步骤S2中,对电容器的各切片按顺序逐层进行一体成型3D打印包括:
S201:采用纳米金属墨水沉积阳极电极和阴极电极,并通过第一固化工艺进行固化;
本步骤中,纳米金属墨水包括纳米金属颗粒和可蒸发有机溶剂,其中,纳米金属颗粒的类型包括纳米银颗粒、纳米铜颗粒、纳米钛颗粒中的至少一种。第一固化工艺为红外热固化工艺,通过红外热固化工艺使纳米金属墨水中的可蒸发有机溶剂蒸发(墨水中的有机溶剂可在高功率红外灯的高温烘烤下快速蒸发),留下的纳米金属银颗粒在100℃~200℃温度下团聚形成阳极电极和阴极电极。本步骤中,打印出的单层电极的厚度可低至0.1-1μm。
本步骤中,打印阳极电极和阴极电极的纳米金属墨水可以相同也可以不同,如阳极电极和阳极电极均采用含有纳米银颗粒的纳米金属墨水进行打印,或者,采用含有纳米金属银颗粒的打印阳极电极,并采用含有纳米金属铜颗粒的纳米金属墨水打印阴极电极。打印及固化的先后顺序并不限定,可以先打印出阳极电极并进行固化,然后再打印出阴极电极并进行固化,也可以依次打印出阳极电极和阴极电极后,再同时对阳极电极和阴极电极的打印墨水同时进行固化。
优选地,本步骤在采用纳米金属墨水打印阳极电极和阴极电极的过程中,还通过切片叠层方式对阳极电极和阴极电极的边缘进行局部圆滑修型。
由于打印的纳米金属单层层厚可低至0.1~1微米,由此堆积而成的电极可对局部进行圆滑修型,从而可大幅度改善降低金属电极边缘的场畸变程度,有利于明显提升电容器耐压性能和寿命。
S202:采用介电墨水在阳极电极和阴极电极之间沉积绝缘介质层,并通过第二固化工艺进行固化;
本步骤中,介电墨水包括绝缘材料,且介电墨水具有低粘性和低表面张力性能,其中绝缘材料包括聚酰亚胺、苯并环丁烯中的至少一种,或者绝缘材料为聚酰亚胺、苯并环丁烯或其它具有较强绝缘性能的高分子材料中的至少一种掺杂纳米陶瓷或纳米金属颗粒,以提升绝缘材料介电常数和降低介电损耗。第二固化工艺为光固化工艺,通过光固化工艺使绝缘材料固化形成绝缘介质层。
由于介电墨水具有低粘性、低表面张力性能,因此有利于形成均匀无气隙的液膜,经固化后形成的绝缘材料单层层厚在1~10μm,由此逐层堆积而成的绝缘材料内部不易产生传统工艺难以避免的较大尺度缺陷,可最大化电容器耐压性能。
S203:重复上述步骤S201-S202,按顺序打印制作出剩余的每层切片,逐层堆积形成电容器的整体结构。
具体地,3D打印在便于与金属材料和介电材料剥离的基底上进行,当打印完成最底层的切片图案后,再在最底层的切片上重复进行如步骤S201-S202打印出第二层切片的图案,依次类推,打印的金属材料和绝缘材料分别采用热固化和光固化工艺按每层切片的平面图案设计交替堆叠,然后将平面图案逐层堆积,形成电容器整体结构,打印出的每层切片的厚度优选为2-10μm,完成电容器整体的打印之后剥离掉基底,获得3D打印的电容器。优选地,在打印最底层切片的阳极电极和阴极电极时,采用纳米金属墨水和红外热固化工艺同步打印出阳极电极接头和阴极电极接头。
本实施例中,切片的平面图案还包括位于阳极电极与绝缘介质层之间以及阴极电极与绝缘介质之间的过渡层;
在步骤S2中,在采用介电墨水在阳极电极和阴极电极之间沉积绝缘介质层之前,还包括:
采用掺杂一定比例纳米金属颗粒的介电墨水和第二固化工艺在阳极电极和阴极电极的边缘形成过渡层。
具体地,在执行步骤S201打印出阳极电极和阴极电极之后,采用掺杂一定比例纳米金属颗粒的介电墨水和第二固化工艺在阳极电极和阴极电极的边缘形成过渡层,而后再执行步骤S202完成绝缘介质层的打印。通过在金属材料与绝缘材料之间使用一定比例纳米金属银颗粒掺杂的介电墨水通过光固化工艺建立过渡层,可有效提升金属材料和绝缘材料这两种材料之间的结合强度。
本实施例中,优选地,在电容器的3D模型的阳极电极、阴极电极和绝缘介质层中还设计有微孔结构;
形成该微孔结构的方法为:
在打印制作阳极电极、阴极电极和绝缘介质层的过程中,在设计微孔结构的位置沉积可溶性打印材料,在打印完成后,采用对应的溶剂将阳极电极、阴极电极和绝缘介质层中沉积的可溶性打印材料溶蚀去除,以形成微孔结构。
在其他实施例中,形成该微孔结构的方法还可以为:
在打印制作阳极电极、阴极电极和绝缘介质层的过程中,在设计微孔结构的位置不沉积相应的打印材料,以在阳极电极、阴极电极和绝缘介质层中形成微孔结构。
该微孔结构可大大提高有效散热面积,并提高层间结构的紧密性和结合强度,进而提高电容器结构强度,改善电容器的性能和寿命。
本实施例中,在打印制作电容器的过程中,在通过步骤S201打印出纳米金属银墨水通过红外热固化工艺沉积形成阳极电极或阴极电极之后,还可以采用介电墨水通过光固化在电极表面形成一层薄的保护层,该保护层的材料与绝缘介质层的材料相同,该保护层用于防止电极的氧化和腐蚀,进一步提高电容器的寿命。
本实施例中,在打印制作出电容器的过程中还可以在每层打印完成的切片周围打印出封装层,该封装层可以采用制作绝缘介质层的材料和工艺形成。
本实施例中,在打印出完整的电容器结构之后,还包括将电容器封装进壳体,完成电容器的封装。
实施例2
本实施例提供一种百万次寿命高压脉冲电容器,电容器包括薄膜电极结构,薄膜电极结构包括多个并联的阳极电极片和多个并联的阴极电极片,阳极电极片和阴极电极片交替层叠,阳极电极片和阴极电极片之间设有绝缘介质层;电容器利用实施例1的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法制作而成。
本实施例中,阳极电极片、阴极电极片与绝缘介质层之间设有过渡层,过渡层为掺杂与纳米金属墨水中相同纳米金属颗粒的绝缘材料,该过渡层可增强阳极电极片、阴极电极片与绝缘层的界面结合力。
本实施例中,阳极电极片和阴极电极片的边缘为圆滑过渡结构,可大幅度改善降低金属电极边缘的场畸变程度,有利于明显提升电容器耐压性能和寿命。
本实施例中,阳极电极片、阴极电极片和绝缘介质层中设有微孔结构。
本实施例中,阳极电极片和阴极电极片的厚度为1-100μm。阳极电极片、阴极电极片和层间介质层的厚度误差为亚微米级,相邻的阳极电极片与阴极电极片之间的距离(对应绝缘介质层的厚度)为20-1000μm。
本实施例的高压脉冲电容器具有良好的绝缘性能,其使用寿命超过百万次,因此可满足高性能系统对脉冲电容器可靠性和持久性的要求。
以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (19)
1.一种百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,包括:
形成电容器的3D模型并顺序的形成3D打印所述电容器的切片,所述切片的平面图案包括叉指状的阳极电极和阴极电极以及位于所述阳极电极和阴极电极之间的绝缘介质层;
采用多材料复合喷墨3D打印方式,对所述电容器的各切片按顺序逐层进行一体成型3D打印,形成所述电容器的整体结构,其中,所述阳极电极和阴极电极通过沉积纳米金属颗粒形成,所述绝缘介质层通过沉积绝缘材料形成。
2.根据权利要求1所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,对所述电容器的各切片按顺序逐层进行一体成型3D打印包括:
采用纳米金属墨水沉积阳极电极和阴极电极,并通过第一固化工艺进行固化;
采用介电墨水在所述阳极电极和阴极电极之间沉积绝缘介质层,并通过第二固化工艺进行固化;
重复上述步骤,按顺序打印制作出剩余的每层切片,逐层堆积形成所述电容器的整体结构。
3.根据权利要求2所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,所述切片的平面图案还包括位于所述阳极电极与所述绝缘介质层之间以及所述阴极电极与所述绝缘介质之间的过渡层;
在采用介电墨水在所述阳极电极和所述阴极电极之间沉积绝缘介质层之前,还包括:
采用掺杂一定比例纳米金属颗粒的介电墨水和所述第二固化工艺在所述阳极电极和所述阴极电极的边缘形成所述过渡层。
4.根据权利要求2所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,在采用纳米金属墨水打印所述阳极电极和所述阴极电极的过程中,通过切片叠层方式对所述阳极电极和所述阴极电极的边缘进行局部圆滑修型。
5.根据权利要求2或3所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,在所述电容器的3D模型的阳极电极、阴极电极和绝缘介质层中设计有微孔结构;
在打印制作所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层的过程中,在设计微孔结构的位置沉积可溶性打印材料,在打印完成后,采用对应的溶剂将所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层中沉积的可溶性打印材料溶蚀去除,以形成所述微孔结构。
6.根据权利要求2或3所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,在所述电容器的3D模型的阳极电极、阴极电极和绝缘介质层中设计有微孔结构;
在打印制作所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层的过程中,在设计微孔结构的位置不沉积相应的打印材料,以在所述阳极电极、所述阴极电极和所述绝缘介质层中形成所述微孔结构。
7.根据权利要求2或3所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,所述纳米金属墨水包括纳米金属颗粒和可蒸发有机溶剂。
8.根据权利要求7所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,所述纳米金属颗粒的类型包括纳米银颗粒、纳米铜颗粒或纳米钛颗粒中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,所述第一固化工艺为红外热固化工艺,通过所述红外热固化工艺使所述纳米金属墨水中的所述可蒸发有机溶剂蒸发,留下的纳米金属颗粒在100℃~200℃温度下团聚形成所述阳极电极和所述阴极电极。
10.根据权利要求2或3所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,所述介电墨水包括绝缘材料,且所述介电墨水具有低粘性和低表面张力性能。
11.根据权利要求7所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,所述绝缘材料为聚酰亚胺、苯并环丁烯或其它具有较强绝缘性能的高分子材料;或者,
所述绝缘材料为聚酰亚胺、苯并环丁烯或其它具有较强绝缘性能的高分子材料均匀掺杂纳米颗粒,以提升绝缘材料介电常数和降低介电损耗。
12.根据权利要求10所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,所述第二固化工艺为光固化工艺,通过光固化工艺使所述绝缘材料固化形成所述绝缘介质层。
13.根据权利要求1所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,打印出的每层切片的厚度为2-10μm。
14.根据权利要求1所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法,其特征在于,打印出的单层电极的厚度为0.1-1μm,打印出的单层绝缘介质层的厚度为1-10μm。
15.一种百万次寿命高压脉冲电容器,其特征在于,所述电容器包括薄膜电极结构,所述薄膜电极结构包括多个并联的阳极电极片和多个并联的阴极电极片,所述阳极电极片和所述阴极电极片交替层叠,所述阳极电极片和所述阴极电极片之间设有绝缘介质层;所述电容器利用权利要求1-14任意一项所述的百万次寿命高压脉冲电容器的制造方法制作而成。
16.根据权利要求15所述的百万次寿命高压脉冲电容器,其特征在于,所述阳极电极片、所述阴极电极片与所述绝缘介质层之间设有过渡层,所述过渡层为掺杂与纳米金属墨水相同的纳米金属颗粒的绝缘材料,以增强所述阳极电极片、所述阴极电极片与所述绝缘层的界面结合力。
17.根据权利要求15所述的百万次寿命高压脉冲电容器,其特征在于,所述阳极电极片、所述阴极电极片和所述绝缘介质层中设有微孔结构。
18.根据权利要求15所述的百万次寿命高压脉冲电容器,其特征在于,所述阳极电极片和所述阴极电极片的厚度为1-100μm。
19.根据权利要求15所述的百万次寿命高压脉冲电容器,其特征在于,所述绝缘介质层的厚度为20μm-1mm。
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