CN205326307U - 一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构。所述点阵夹层结构由正交编织的矩形纤维布或预浸料条带和立方体泡沫芯子以及面板铺层构成。本实用新型巧妙地利用复合材料结构的可设计性，设计出一种新的准三维编织结构作为点阵芯子，并与面板同时固化成型。在组元材料相同的前提下，相比现有的点阵夹层结构(如格栅夹层结构、蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、三维点阵夹层结构)大幅提高了面板与芯子之间的界面强度，解决了常规点阵夹层结构芯材铺层中纤维不连续的问题，从而提高了夹层结构的抗弯强度、剪切强度、侧压强度等，这对复合材料三维结构增强技术的发展有着十分重要的意义。
Description
技术领域
本实用新型属于复合材料结构技术领域，涉及复合材料点阵夹层板构件性能增强技术，具体为一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构。
背景技术
以纤维增强树脂基复合材料为代表的先进复合材料具有轻质、高强、高模量、耐疲劳、抗腐蚀、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型大型构件等突出优点，已在航空、航天等领域获得了广泛的应用。但纤维增强树脂基复合材料夹层板面芯结合性能较弱，在一定程度上限制了其应用。
复合材料点阵夹层板的芯材在点阵夹层结构中所起到的作用主要有：第一，支撑作用，支撑上、下面板，使结构的抗弯刚度提高；第二，传递载荷的作用，点阵芯子将某一块面板或某一个局部区域受到的载荷传递给另外一块面板或其他区域，使结构载荷分布均匀，尽量避免应力集中现象；第三，减轻重量的作用，点阵芯子较高的孔隙率可以降低结构的重量。因此，需要芯子具有一定的连续性，同时由于面板和芯子之间存在传力界面，要求具有较高的面芯结合强度。研究者们对多种点阵芯子和泡沫夹芯材料进行了研究，如复合材料蜂窝、PMI或PVC泡沫、多种不同形状的格栅结构，以及三维点阵芯子等。普遍存在的问题有：面芯间胶层的粘接强度较低，易出现面芯脱粘；蜂窝夹层结构维护修理的要求较高，面板服役中出现的裂隙会使水或水汽进入蜂窝中，在低温下结冰膨胀会破坏蜂窝孔格的粘接，降低了夹层结构的性能；格栅结构制作工艺复杂，制作成本高昂；部分格栅结构在厚度方向上的不对称性会引起结构的翘曲变形，影响使用。
实用新型内容
本实用新型的技术目的是针对现有的纤维增强树脂基复合材料点阵夹层结构面芯粘接强度较弱的问题，提供了一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构及制作方法。
为实现上述技术目的，本实用新型提供的技术方案为：
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，其由纤维布与编织点阵芯子构成，编织点阵芯子由纤维布条带按正交方式纵横穿插编织而成，纤维布条带之间有立方体泡沫作为芯子，所述准三维增强的复合材料点阵夹层结构的长度为[ml+xt(m-1)]，所述结构宽度为[nl+xt(n-1)]，所述结构高度为[2t(x+y)+l]，其中：m、n分别为横向、纵向立方体泡沫数，l为立方体泡沫边长，x、y分别为点阵芯子和面板铺层数，t为单层纤维布厚度。
所述纤维布的纤维为玻璃纤维或碳纤维。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，其由预浸料与编织点阵芯子构成，编织点阵芯子由预浸料条带按正交方式纵横穿插编织而成，预浸料条带之间有立方体泡沫作为芯子，所述结构的长度为[ml+xt(m-1)]，所述结构宽度为[nl+xt(n-1)]，所述结构高度为[2t(x+y)+l]，其中：m、n分别为横向、纵向立方体泡沫数，l为立方体泡沫边长，x、y分别为点阵芯子和面板铺层数，t为单层预浸料厚度。
所述预浸料为玻璃纤维增强树脂基预浸料或碳纤维增强树脂基预浸料。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定点阵夹层结构由m行、n列立方体泡沫芯子及纤维布条带和上、下面板纤维布组成，m、n为非0自然数，芯子铺层数为x层，面板铺层数为y层；单层纤维布厚度为t，立方体泡沫芯子边长为l，目标点阵夹层结构的总长度为[ml+xt(m-1)]，总宽度为[nl+xt(n-1)]，高度为[2t(x+y)+l]；
2)根据目标结构尺寸将纤维布原材料裁切成宽度为l的矩形条带，纵向纤维布条带长度大于(2m-1)l，横向条带长度大于(2n-1)l，将x层裁切好的矩形条带整齐叠放在一起；将泡沫板裁切成(m*n)个边长为l的正方体，作为目标结构中间夹芯的支撑芯子，准备一块与目标结构同尺寸的带孔钢板，钢板上纵向、横向孔间距为20mm，孔径为3mm；
3)将裁切并叠放整齐的m条纤维矩形条带分别绕过m行的n个立方体泡沫芯子，并相互固定，纤维布条带呈连续的“弓”字形，形成m个纤维布条带与立方体泡沫芯子的组合体；
4)将步骤3)中制作完成的m个纤维条带与芯子的组合体正反交错排列，将n条横向排列整齐的矩形纤维布条带的一端固定，从第一排纤维芯子组合体的“弓”字形开口处穿过并抽紧，使纤维与泡沫芯子紧密贴合并固定后，将其穿过第二排反面排列的纤维芯子组合体的“弓”字形开口处，抽紧纤维并固定，如此依次编织其后各列，直至纵向与横向纤维与泡沫芯子相对固定并紧密贴合无空隙，即形成所述目标结构的中间夹芯；
5)按照VARI工艺要求，在玻璃平板上按顺序铺设脱模布、下面板纤维布、中间夹芯、上面板纤维布、脱模布、隔离膜、导流网，铺放完成后在导流网上方放置带孔钢板，并铺放第二层导流网，连接好真空泵抽气口和注胶口后，铺放真空袋膜并密封，抽气达到一定真空度并保压一段时间后进行注胶固化。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定点阵夹层结构由m行、n列立方体泡沫芯子及预浸料条带和上、下面板预浸料组成，m、n为非0自然数，芯子铺层数为x层，面板铺层数为y层；单层预浸料厚度为t，立方体泡沫芯子边长为l，目标点阵夹层结构的总长度为[ml+xt(m-1)]，总宽度为[nl+xt(n-1)]，高度为[2t(x+y)+l]；
2)根据目标结构尺寸将预浸料原材料裁切成宽度为l的矩形条带，纵向预浸料条带长度大于(2m-1)l，横向条带长度大于(2n-1)l，将x层裁切好的矩形条带整齐叠放在一起；将泡沫板裁切成(m*n)个边长为l的正方体，作为目标结构中间夹芯的支撑芯子，准备一块与目标结构同尺寸的带孔钢板，钢板上纵向、横向孔间距为20mm，孔径为3mm；
3)将裁切并叠放整齐的m条预浸料矩形条带分别绕过m行的n个立方体泡沫芯子，并相互固定，预浸料条带呈连续的“弓”字形，形成m个预浸料条带与立方体泡沫芯子的组合体；
4)将步骤3)中制作完成的m个预浸料条带与芯子的组合体正反交错排列，将n条横向排列整齐的矩形预浸料条带的一端固定，从第一排预浸料芯子组合体的“弓”字形开口处穿过并抽紧，使预浸料与泡沫芯子紧密贴合并固定后，将其穿过第二排反面排列的预浸料芯子组合体的“弓”字形开口处，抽紧预浸料并固定，如此依次编织其后各列，直至纵向与横向预浸料与泡沫芯子相对固定并紧密贴合无空隙，即形成所述目标结构的中间夹芯；
5)按照VARI工艺要求，在玻璃平板上按顺序铺设脱模布、下面板预浸料、中间夹芯、上面板预浸料、脱模布，铺放真空袋膜，密封并抽真空后直接固化。
本实用新型方案中，所述“纵”、“横”、“正”、“反”仅为相对参照，并非对绝对方位的限定，会随着参照物的选取而变化。
本实用新型一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构巧妙地利用了复合材料结构的可设计性，采用新的交错铺层方式进行合理的铺层设计，设计出一种新的准三维点阵夹芯结构。相比于一般的夹层结构、格栅结构，具有以下优点：
1)一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构在制作中一次固化成型，面板与铺层网格结构间的粘接强度比使用胶膜粘接的夹层结构的粘接强度更高；
2)相比于一般的夹层结构和格栅结构，一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构的面板和芯材之间的粘接面积更大，粘接面积等于面板面积，面芯粘接强度更高；
3)相比于不同的格栅结构，一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构在平面内X、Y方向上的纤维是连续的，受载时载荷传递更均匀；
4)相比于复合材料泡沫夹芯板，一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构在面板法向方向上提供了纤维增强作用，各项力学性能均有显著提高；
5)相比于常规VARI工艺，一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构的制作方法在最上层导流网上方增加一块带孔钢板和一层导流网，解决了注胶管周围胶液堆积的问题，提高了夹层结构上面板表面质量，从而改善了点阵夹层结构的力学性能。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构固化成型后，在组元材料相同的前提下，相比现有的点阵夹层结构(如格栅夹层结构、蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、三维点阵夹层结构)大幅提高了面板与芯子之间的界面强度，解决了常规点阵夹层结构芯材铺层中纤维不连续的问题，从而提高了夹层结构的抗弯强度、剪切强度、侧压强度等，这对复合材料三维结构增强技术的发展有着十分重要的意义。
附图说明
图1为本实用新型的步骤3)所述的组合体的结构示意图。
图2为本实用新型的编织铺层完成后的点阵芯子(7行7列)的结构示意图。
图3为图2中点阵芯子截面A-A截面图。
图4为图2中点阵芯子截面B-B截面图。
图5为本实用新型的真空辅助注射成型(VARI)工艺示意图。
图5中数字含义为：1密封胶条，2真空泵抽气口，3真空袋膜，4树脂注入口，5导流网，6带孔钢板，7导流网，8隔离膜，9脱模布，10上面板纤维布，11一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构中间夹芯，12下面板纤维布，13脱模布，14脱模剂。
图6为使用预浸料制备本实用新型所述夹层结构工艺示意图。
图6中数字含义为：1密封胶条，2真空泵抽气口，3真空袋膜，4脱模布，5上面板预浸料，6本实用新型所述一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，7下面板预浸料，8脱模布，9脱模剂。
图7为本实用新型的局部结构视图。
具体实施方式
为了阐明本实用新型的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的介绍。
如图1至图7。
实施例一。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，其由纤维布与编织点阵芯子构成，编织点阵芯子由纤维布条带按正交方式纵横穿插编织而成，纤维布条带之间有立方体泡沫作为芯子，所述准三维增强的复合材料点阵夹层结构的长度为[ml+xt(m-1)]，所述结构宽度为[nl+xt(n-1)]，所述结构高度为[2t(x+y)+l]，其中：m、n分别为横向、纵向立方体泡沫数，l为立方体泡沫边长，x、y分别为点阵芯子和面板铺层数，t为单层纤维布厚度。
所述纤维布的纤维为玻璃纤维或碳纤维。
实施例二。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，其由预浸料与编织点阵芯子构成，编织点阵芯子由预浸料条带按正交方式纵横穿插编织而成，预浸料条带之间有立方体泡沫作为芯子，所述结构的长度为[ml+xt(m-1)]，所述结构宽度为[nl+xt(n-1)]，所述结构高度为[2t(x+y)+l]，其中：m、n分别为横向、纵向立方体泡沫数，l为立方体泡沫边长，x、y分别为点阵芯子和面板铺层数，t为单层预浸料厚度。
所述预浸料为玻璃纤维增强树脂基预浸料或碳纤维增强树脂基预浸料。
实施例三。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构制作方法，包括以下步骤：
1)确定点阵夹层结构由m行、n列立方体泡沫芯子及纤维布条带和上、下面板纤维布组成，m、n为非0自然数，芯子铺层数为x层，面板铺层数为y层；单层纤维布厚度为t，立方体泡沫芯子边长为l，目标点阵夹层结构的总长度为[ml+xt(m-1)]，总宽度为[nl+xt(n-1)]，高度为[2t(x+y)+l]；
2)根据目标结构尺寸将纤维布原材料裁切成宽度为l的矩形条带，纵向纤维布条带长度大于(2m-1)l，横向条带长度大于(2n-1)l，将x层裁切好的矩形条带整齐叠放在一起；将泡沫板裁切成(m*n)个边长为l的正方体，作为目标结构中间夹芯的支撑芯子，准备一块与目标结构同尺寸的带孔钢板，钢板上纵向、横向孔间距为20mm，孔径为3mm；
3)将裁切并叠放整齐的m条纤维矩形条带分别绕过m行的n个立方体泡沫芯子，并相互固定，纤维布条带呈连续的“弓”字形，形成m个纤维布条带与立方体泡沫芯子的组合体；
4)将步骤3)中制作完成的m个纤维条带与芯子的组合体正反交错排列，将n条横向排列整齐的矩形纤维布条带的一端固定，从第一排纤维芯子组合体的“弓”字形开口处穿过并抽紧，使纤维与泡沫芯子紧密贴合并固定后，将其穿过第二排反面排列的纤维芯子组合体的“弓”字形开口处，抽紧纤维并固定，如此依次编织其后各列，直至纵向与横向纤维与泡沫芯子相对固定并紧密贴合无空隙，即形成所述目标结构的中间夹芯；
5)按照VARI工艺要求，在玻璃平板上按顺序铺设脱模布、下面板纤维布、中间夹芯、上面板纤维布、脱模布、隔离膜、导流网，铺放完成后在导流网上方放置带孔钢板，并铺放第二层导流网，连接好真空泵抽气口和注胶口后，铺放真空袋膜并密封，抽气达到一定真空度并保压一段时间后进行注胶固化。
实施例四。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构制作方法，包括以下步骤：
1)确定点阵夹层结构由m行、n列立方体泡沫芯子及预浸料条带和上、下面板预浸料组成，m、n为非0自然数，芯子铺层数为x层，面板铺层数为y层；单层预浸料厚度为t，立方体泡沫芯子边长为l，目标点阵夹层结构的总长度为[ml+xt(m-1)]，总宽度为[nl+xt(n-1)]，高度为[2t(x+y)+l]；
2)根据目标结构尺寸将预浸料原材料裁切成宽度为l的矩形条带，纵向预浸料条带长度大于(2m-1)l，横向条带长度大于(2n-1)l，将x层裁切好的矩形条带整齐叠放在一起；将泡沫板裁切成(m*n)个边长为l的正方体，作为目标结构中间夹芯的支撑芯子，准备一块与目标结构同尺寸的带孔钢板，钢板上纵向、横向孔间距为20mm，孔径为3mm；
3)将裁切并叠放整齐的m条预浸料矩形条带分别绕过m行的n个立方体泡沫芯子，并相互固定，预浸料条带呈连续的“弓”字形，形成m个预浸料条带与立方体泡沫芯子的组合体；
4)将步骤3)中制作完成的m个预浸料条带与芯子的组合体正反交错排列，将n条横向排列整齐的矩形预浸料条带的一端固定，从第一排预浸料芯子组合体的“弓”字形开口处穿过并抽紧，使预浸料与泡沫芯子紧密贴合并固定后，将其穿过第二排反面排列的预浸料芯子组合体的“弓”字形开口处，抽紧预浸料并固定，如此依次编织其后各列，直至纵向与横向预浸料与泡沫芯子相对固定并紧密贴合无空隙，即形成所述目标结构的中间夹芯；
5)按照VARI工艺要求，在玻璃平板上按顺序铺设脱模布、下面板预浸料、中间夹芯、上面板预浸料、脱模布，铺放真空袋膜，密封并抽真空后直接固化。
本实用新型方案中，所述“纵”、“横”、“正”、“反”仅为相对参照，并非对绝对方位的限定，会随着参照物的选取而变化。
图5中，导流网5、带孔钢板6、导流网7、隔离膜8、脱模布9、上面板纤维布10、本实用新型的一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构中间夹芯11、下面板纤维布12、脱模布13和脱模剂14依次设置在真空袋膜3内，真空袋膜3上设有密封胶条1、真空泵抽气口2和树脂注入口4。
图6中，上面板预浸料5、本实用新型所述的一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构6、下面板预浸7料、脱模布8和脱模剂9依次设置在真空袋膜3内，真空袋膜3上设有密封胶条1、真空泵抽气口2和树脂注入口4。
实施例五。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，包括以下步骤：
1)确定目标点阵夹层结构由m行、n列立方体泡沫芯子及纤维布条带和上、下面板纤维布组成(m、n为非0自然数)，芯子铺层数为x层，面板铺层数为y层；单层纤维布厚度为t，立方体泡沫芯子边长为l,，目标点阵夹层结构的总长度为[ml+(m-1)xt]，总宽度为[nl+(n-1)xt]，高度为[2t(x+y)+l]；
2)根据目标结构尺寸将纤维布原材料裁切成宽度为l的矩形条带，纵向条带长度大于(2m-1)l，横向条带长度大于(2n-1)l，将x层裁切好的矩形条带整齐叠放在一起；将泡沫板裁切成(m*n)个边长为l的正方体，作为目标结构支撑芯子；
3)将裁切并叠放整齐的单条纤维矩形条带绕过一列立方体泡沫芯子，使纤维与泡沫芯子紧密接触，并相互固定，制成单列纤维芯子组合体，纤维条带呈“弓”字形，如图1；
4)重复步骤3)，制作多列同样形式的纤维与泡沫芯子的组合体，并将制作完成的组合体正反交错排列；
5)将横向矩形纤维条带的一端固定，从横向将一端固定的多层矩形纤维条带从第一排纤维芯子组合体的“弓”字形开口处穿过并抽紧，使纤维与泡沫芯子紧密贴合并固定后，将其穿过第二排反面排列的纤维芯子组合体的“弓”字形开口处，抽紧纤维并固定，如此依次编织其后各列；
6)重复步骤5)至纵向与横向纤维与泡沫芯子相对固定并紧密贴合无空隙，即形成所述目标结构夹芯，如图2～图4；
7)用丙酮清洗玻璃平台，在玻璃平台上粘贴密封胶条；
8)在玻璃平台上涂脱模剂，晾干15min，反复三次后在涂覆位置铺放脱模布；
9)按照图5所示顺序由下至上铺放脱模布、下面板纤维布、步骤6)中制作完成的中间夹芯、上面板纤维布、脱模布、隔离膜、导流网、带孔钢板、导流网；
10)用三通将两侧螺旋管与两侧树脂管连接，其中一根树脂管另一端连接树脂收集器和真空泵，另一根树脂管作为注胶管；
11)铺放真空袋膜并抽真空，待达到一定真空度后保压一定时间；
12)按照一定比例配置树脂，搅拌均匀后注胶，注胶结束时树脂需完全浸透纤维布；
13)在一定温度下进行固化，固化后检查夹层结构表面是否光滑平整。
本实施例五所述纤维布为玻璃纤维或碳纤维。
实施例六。
一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，包括以下步骤：
1)确定目标点阵夹层结构由m行、n列立方体泡沫芯子及预浸料条带和上、下面板预浸料组成(m、n为非0自然数)，芯子铺层数为x层，面板铺层数为y层；单层预浸料厚度为t，立方体泡沫芯子边长为l,，目标点阵夹层结构的总长度为[ml+(m-1)xt]，总宽度为[nl+(n-1)xt]，高度为[2t(x+y)+l]；
2)根据目标结构尺寸将预浸料原材料裁切成宽度为l的矩形条带，纵向条带长度大于(2m-1)l，横向条带长度大于(2n-1)l，将x层裁切好的矩形条带整齐叠放在一起；将泡沫板裁切成(m*n)个边长为l的正方体，作为目标结构支撑芯子；
3)将裁切并叠放整齐的单条预浸料矩形条带绕过一列立方体泡沫芯子，使预浸料与泡沫芯子紧密接触，并相互固定，制成单列预浸料芯子组合体，预浸料条带呈“弓”字形，如图1；
4)重复步骤3)，制作多列同样形式的预浸料与泡沫芯子的组合体，并将制作完成的组合体正反交错排列；
5)将横向矩形预浸料条带的一端固定，从横向将一端固定的多层矩形预浸料条带从第一排预浸料芯子组合体的“弓”字形开口处穿过并抽紧，使预浸料与泡沫芯子紧密贴合并固定后，将其穿过第二排反面排列的预浸料芯子组合体的“弓”字形开口处，抽紧预浸料并固定，如此依次编织其后各列；
6)重复步骤5)至纵向与横向预浸料与泡沫芯子相对固定并紧密贴合无空隙，即形成所述目标结构夹芯，如图2～图4；
7)用丙酮清洗玻璃平台，在玻璃平台上粘贴密封胶条；
8)在玻璃平台上涂脱模剂，晾干15min，反复三次后在涂覆位置铺放脱模布；
9)按照图6所示顺序由下至上铺放脱模布、下面板预浸料、步骤6)中制作完成的中间夹芯、上面板预浸料、脱模布；
4)用三通将螺旋管与树脂管连接，树脂管另一端连接树脂收集器和真空泵；
5)铺放真空袋膜并抽真空，待达到一定真空度后保压一定时间；
6)在一定温度下进行固化，固化后检查夹层结构表面是否光滑平整。
本实施例六所述预浸料为玻璃纤维增强树脂基预浸料湿料或碳纤维增强树脂基预浸料湿料。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，其由纤维布与编织点阵芯子构成，编织点阵芯子由纤维布条带按正交方式纵横穿插编织而成，纤维布条带之间有立方体泡沫作为芯子，所述准三维增强的复合材料点阵夹层结构的长度为[ml+xt(m-1)]，所述结构宽度为[nl+xt(n-1)]，所述结构高度为[2t(x+y)+l]，其中：m、n分别为横向、纵向立方体泡沫数，l为立方体泡沫边长，x、y分别为点阵芯子和面板铺层数，t为单层纤维布厚度。
2.根据权利要求1所述的准三维增强的复合材料点阵夹层结构，其特征在于所述纤维布的纤维为玻璃纤维或碳纤维。
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| CN114801258A (zh) * | 2022-03-09 | 2022-07-29 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种双向格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法 |
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Cited By (3)
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| CN114801258A (zh) * | 2022-03-09 | 2022-07-29 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种双向格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法 |
| CN114801258B (zh) * | 2022-03-09 | 2024-05-10 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种双向格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法 |
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