DE2444907C2 - Verfahren zur Herstellung eines streifenförmigen elektrischen Widerstandes - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines streifenförmigen elektrischen WiderstandesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines streifenförmigen elektrischen Widerstandes, unter
,o Verwendung eines Pulvers aus Polytetrafluoräthylen
und eines Pulvers aus elektrisch leitenden Teilchen, wie beispielsweise Kohlenstoffpulver oder Metallpulver, mit
einem Anteil von 4 bis 25 Gew.-°/o der leitfähigen Teilchen an der Gesamtmasse, die gemischt werden und
ij anschließend in eine Metallform eingefüllt und dann
unter einem Druck von 600 bis 700 kp/cm2 verpreßt werden, wobei der dabei erhaltene Formkörper bei
einer Temperatur zwischen 320 und 390° C gesintert und
anschließend zu Widerstandselementen weiter verarbeitetwird.
Obgleich bereits zahlreiche Arten von elektrischen Widerständen vorgeschlagen wurden, sind einige dieser
Widerstände für gewisse Anwendungsfälle vorteilhaft, für andere Anwendungsfälle dagegen nicht geeignet,
und die Arten dieser Widerstände werden daher entsprechend ihrem jeweiligen Verwendungszweck
bestimmt. Beispielsweise sollen elektrische Widerstände, die nls Heizelemente für elektrische Heizdecken
Verwendung finden, je nach der Größe, d. h. Länge und Breite der Heizdecke, unterschiedliche Längen und
Widerstandswerte besitzen. Da eine Heizdecke zudem häufig gefaltet oder umgebogen wird, sollten die in ihr
vorgesehenen Widerstände vorzugsweise flexibel und dünn sein. Außerdem sollen derartige Widerstände
zuverlässig, wärmebeständig und preiswert herstellbar sein.
Aus diesen Gründen werden gewisse Heizelemente aus Metallbändern oder -streifen hergestellt. Zur
Erzielung eines Heizelementes einer vorbestimmten Abmessung ist es jedoch erforderlich, einen Metallstreifen
mit beträchtlicher Länge zu verwenden, wodurch die Fertigung kompliziert wird. Für die Herstellung von
Produkten unterschiedlicher Konfiguration und elektrischer Leistung ist es weiterhin notwendig, Metalldrähte
oder -streifen verschiedener Durchmesser und Längen herzustellen.
Aus der US-PS 27 44 988 ist ein Widerstandselement für hohe Temperaturen und ein Verfahren zur
Herstellung desselben bekannt, gemäß welchem beispielsweise ein Kunststoff wie Polytetrafluoräthylen in
Form einer Suspension mit einer Suspension aus leitenden Teilchen, wobei die Suspension noch ein
Verteilungsmittel enthalten kann, gemischt wird und wobei dann dafür Sorge getragen wird, daß diese
kolloidale Mischung gerinnt bzw. sich verfestigt, und zwar unter Anwendung von Hitze oder einem
organischen Lösungsmittel, so daß eine pastenförmige Masse erhalten wird, aus der dann die restliche
Flüssigkeit abgefiltert wird. Diese Masse wird dann in einer Strangpresse vorgeformt, wird bei einer relativ
niedrigen Temperatur getrocknet, so daß die flüchtigen Bestandteile verdampfen, und wird dann bei erhöhter
Temperatur, jedoch unterhalb des Sinterpunktes des Kunststoffes getrocknet, bis das verbleibende flüchtige
Material entfernt ist. Die auf diese Weise erhaltene Masse wird dann abgekühlt und in eine Form gegeben
und wird bei einer Temperatur gesintert, die oberhalb des Übergangspunktes des Kunststoffes liegt, jedoch
unterhalb des Zersetzungspunktes des Kunststoffes. Demnach sind bei diesem bekannten Verfahren
verschiedene Trockriungs- und Filterverfahren erforderlich, um schließlich die spritzfähige Masse zu
erhalten. Das in der spritzfähigen Masse enthaltene leitende Material kann beispielsweise aus Graphit oder
Kohlenstoff bestehen oder aus puaerförmigen Metallen
wie beispielsweise Silber,. Aluminium, Blei usw.
Aus der US-PS 28 25 702 ist ein Heizelement in Form eines Filmes bekannt, der aus fein verteilten Teilchen
mit elektrischer Leitfähigkeit besteht. Diese Teilchen werden mit Hilfe eines Bindemittels zusammengehalten,
welches zu Beginn des Herstellungsprozesses flüssig ist, so daß die in dem Bindemittel enthaltenen Teilchen sich
fein verteilen können und schließlich nach der Verfestigung des Bindemittels in dieser fein verteilten
Form bzw. in dem gewünschten Kontakt und Orientierung festgehalten werden. Die fein verteilten Teilchen
bestehen aus Metall wie beispielsweise Silber, Aluminium, Chrom, Kupfer und Nickel und Mischungen aus
diesen Metallen, wobei diesem Gemisch auch noch Teilchen mit geringerem elektrischen Leitvermögen
oder keinem elektrischen Leitvermögen beigemischt werden können. Als Bindemittel dient bei diesem
bekannten Widerstandsfilm ein Kunststoff, dessen reaktive Epoxy- und Hydroxylgruppen unter dem
Einfluß von Hitze mit organischen Säuren reagieren.
Aus der DT-PS 7 13 635 ist eine elektrisch halbleitende
Masse aus durch Beimengung leitender Stoffe wie Graphit, Ruß od. dgl. leitfähig gemachtem elektrischen
Isolierstoff bekannt, wobei eine derartige Masse hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit dadurch verbessert
werden kann, daß dieser Masse zusätzlich blättchen- oder drahtförmige Metallteilchen beigemischt werden.
Die Leitfähigkeit der Masse kann durch Änderung des Anteils der beigemischten Metallteilchen weitgehend
beeinflußt werden. Eine noch weitere Beeinflussung bzw. Erhöhung der Leitfähigkeit in einer bestimmten
Richtung kann dadurch erzielt werden, daß durch entsprechende Behandlung wie Walzen od. dgl. für eine
Ausrichtung der Metallteilchen in einer bevorzugten Richtung gesorgt wird.
Aus der DT-Anmeldung S 2 35 10 Vlllc/21g ist
schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung geformter ferromagnetischer Kerne, Halbleiterwiderstände,
dieelektrischer Körper od. dgl. bekannt, bei dem das Ausgangsmaterial in Pulverform wie
zum Beispiel Masse-Eisenpulver, Ferritpulver oder sonstiges Metalloxydpulver unter Zusatz plastischer
Bindemittel im Strangpreßverfahren zu einem Band mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt verarbeitet
wird und sodann aus dem Band vor dem Erhärten der Formkörper ausgestanzt, getrocknet gegebenenfalls
gehärtet und gesintert wird.
Gemäß diesem bekannten Verfahren sind somit aufwendige Einrichtungen wie eine Strangpresse für die
Herstellung von bandförmigen Widerständen erforderlich.
Darüber hinaus wird gemäß diesem bekannten Verfahren der bandförmige Widerstand erst nach der
endgültigen Formgebung getrocknet, gehärtet oder gesintert, wobei jedoch seine räumlichen Abmaße
verändert werden und man nicht mehr die Möglichkeit hat, einen elektrischen Widerstand mit einer sehr genau
definierten Länge entsprechend einem genau definierten Widerstandswert herzustellen. Auch wird gemäß
diesem bekannten Verfahren der Formkörper vor dem Aushärten und Siniern in die endgültige Fom geschnitten,
was jedoch zur Folge hat, daß durch den Schneidbzw. Stanzvorgang selbst eine Verformung des
bandförmigen Grundkörpers herbeigeführt werden kann, so daß dadurch letzten Endes wiederum der
S Widerstandswert verändert wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein besonders einfach durchführbares Verfahren
der eingangs definierten Art zur Herstellung von streifenförmigen elektrischen Widerständen mit genauen
Widerstandswerten zu schaffen, wobei die Widerstände tür hohe Stromaufnahme bzw. Leistung
geeignet sein sollen.
Ausgehend von dem Verfahren der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß
a) als Pulver aus elektrisch leitenden Teilchen ein Gemisch aus Kohlenstoffpulver und Metallpulver
mit dem Pulver aus Polytetrafluoräthylen bereitet wird, in welchem der Anteil der Summe aus dem
Metall- und dem Kohlepulver weniger als 30 Vol.-% des Polytetrafluoräthylenpulvers beträgt,
b) daß das so erhaltene Gemisch in einer Metallform mit zylindrischem Formhohlraum eingefüllt wird, in
dieser verpreßt und der dadurch erhaltene hohlzylindrische Formkörper anschließend gesintert
wird, und
c) daß der hohlzylindrische Formkörper sodann an einer sich parallel zu seiner Längsachse erstreckenden
Linie spiralförmig mit fortlaufend kleiner werdendem radialen Abstand der Linie von der
Längsachse geschnitten wird.
Durch das genannte Mischungsverhältnis zwischen Metall- und Kohlestoffpulver einerseits und dem
Polytetrafluoräthylenpulver andererseits wird der Vorteil
erreicht, daß der dadurch erhaltene Formkörper eine gewisse Plastizität besitzt, durch die der .Schneidvorgang
bzw. das Schälen in der angegebenen Weise einfach gestaltet wird bzw. dieser Schälvorgang mit
größter Präzision durchgeführt werden kann, so daß man streifenförmige Widerstände mit genauem Wider
standswert pro Längeneinheit erzeugen kann.
Im Gegensatz zu dem Bekannten wird beim erfindungsgerr äßen Verfahren der bandförmige Widerstand
erst nach dem Sintervorgang und dem Härtevorgang in seine endgültige Form gebracht, so daß seine
räumlichen Abmaße unverändert bleiben und man pro Längeneinheit des bandförmigen Elements einen genau
definierten Widerstandswert erhält.
Besonders zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Ansprüchen 2 bis 8.
im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. I ein Fließschema zur Veranschaulichung der aufeinanderfolgenden Arbeitsscheue,
Fig. 2A und 2B Schnittansichten einer Form in verschiedenen Verfahrensschritten gemä3 Fig. 1,
Fig. 3A eine perspektivische Darstellung eines nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Widerstandsblocks,
Fig. 3B perspektivische Darstellungen von aus dem Widerstandsblock gemäß F i g. 3A hergestellte Widerstände,
Fig. 4 Kennkurven eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Widerstands, welche die
Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstandswert und dem Verhältnis zwischen Kohlepulver und Metall-
bzw. Kupferpulver im Gemisch mit einem Tetrafluoräthylen-Polymeren
veranschaulichen,
F i g. 5A und 5B Schnittansichten einer Form zur Herstellung eines Widerstands mit an ihm ausgebildeten
Anschlüssen oder Klemmen,
Fig. 6 und 7 perspektivische Darstellungen zur Veranschaulichung zweier verschiedener Verfahren zur
Herstellung von Flachwiderständen aus dem nach dem Verfahren gemäß den Fig. 5A und 5B hergestellten
Widerstandsblock.
Im folgenden sind zunächst die grundsätzlichen Arbeitsschritte des Verfahrens anhand des Fließschemas
gemäß Fig. 1 erläutert. Wie in Schritt (a) veranschaulicht, werden zuerst Pulver aus Polytetrafluorethylen
(CF2 —CF2Jn, Kohlenstoff und Metall, wie
Messing, Silber oder Gold, zubereitet, und diese Pulver werden sodann gemäß Schritt (b) vermischt. Der
Prozentsatz des Gemisches aus Kohlenstoff und Metall gegenüber dem Polytetrafluorethylen- bzw. Polymerpulver
wird dabei auf weniger als 30 Vol.-% begrenzt. Im Verfahrensschritt (c) wird dann das so erhaltene
Gemisch 10 in eine Metallform 11 (Fig. 2A) eingefüllt
und sodann verpreßt oder verdichtet, indem durch Kolben 13 ein Druck auf das Gemisch ausgeübt wird.
Der verdichtete Körper wird daraufhin aus der Form entnommen und gesintert, so daß ein hohlzylindrischer
Widerstandsblock 20 der Art gemäß Fig. 3A erhalten wird.
Die beim Verfahren verwendeten Polytetrafluoräthylcne
sind wärmehärtende Kunstharze mit hoher Wärmebeständigkeit und ausreichender Flexibilität.
Dieses Polymere läßt sich nach dem Aushärten ohne weiteres durch Schneiden bzw. spanabhebende Bearbeitung
verarbeiten. Der Widerstandsblock 20 wird längs seiner Umfangsfläche spiralig geschnitten oder »geschält«,
so daß ein lagenförmiger Flachwiderstand 23 der Art gemäß F i g. 3B erhalten wird. Durch Änderung
der Dicke des Ringkörpers oder der flachen Lage können Widerstände mit jedem gewünschten Widerslandswert
hergestellt werden. Die Strombelastbarkeit oder Stromaufnahme des Widerstands kann ebenfalls
durch Änderung seiner Dicke und Länge eingestellt werden.
Da — wie erwähnt — Polytetrafluoräthylen verwendet wird, besitzt der Widerstand ausreichende Flexibilitat,
so daß er in Abhängigkeit von der Einbauposition oder von den jeweiligen Betriebsbedingungen gebogen
oder verformt werden kann.
Im folgenden ist die Erfindung zum besseren Verständnis anhand von Beispielen näher beschrieben.
Einem Pulver aus Polytetrafluoräthylen wurde ein Gemisch aus Pulvern aus Silber und Kohlenstoff in
einem Volumenverhältnis von 8:2 zugesetzt. Das Volumenverhältnis von Silberpulver zu Kohlepulver
kann dabei ebenfalls 8 :2 betragen. 5% des Silberpulvers besitzen eine Teilchengröße von etwa
0,051 -0,035 mm (250 bis 350 mesh), und der Restanteil besitzt eine Teilchengröße von über etwa 0,035 mm
(350 mesh). Das Gemisch wurde etwa 20 min lang in einem Hammermischer gerührt
Nach dem Einfüllen in eine Form 11 der Art gemäß Fig.2A wurde das Gemisch unter einem Druck von
650 kp/cm2 verdichtet, wobei die Geschwindigkeit der Kolben 13 5 mm/min betrug. Nach dem Anhalten der
Kolben wurde das Gemisch noch 2 min lang unter Druck gehalten. Der Formkörper wurde sodann aus der
Form entnommen und hierauf bei einer Temperatur von 370 —3800C während einer Zeitspanne von einer
Stunde je 25,4 mm radialer Dicke des Sinterkörpers gesintert, wobei der Sinterblock 20 gemäß Fig. 3A
erhalten wurde.
Wenn einBand- oder streifenförmiger Widerstand mit einer Dicke von 0,1 mm und einer Breite von 50 mm
durch spiraliges Schneiden des Widerslandsblocks auf die in I' i g. 3B gezeigte Weise hergestellt wurde, besaß
der so gebildete Widerstand einen Widerstandswert von 2,5 Ω/m.
Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wurde mit dem Unterschied wiederholt, daß das Volumenverhältnis von
Silberpulver zu Kohiepuiver auf i : 9 geänderi wurde.
Hierbei wurde ein streifenförmiger Widerstand mit einem Widerstandswert von 3,5 Ω/m erhalten.
Bei diesem Beispiel wurde das Volumenverhältnis zwischen Silberpulver und Kohlepulver auf 6:4
geändert. Die anderen Bedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 1. Der hiernach erhaltene Widerstand
besaß einen Widerstandswert von 15 Ω/m.
Die Verfahrensschritte gemäß Beispiel 1 wurden mit dem Unterschied wiederholt, daß das Volumenverhältnis
zwischen Silberpulver und Kohlepulver auf 2 :8 geändert wurde. Dabei wurde ein Widerstand mit einem
Widerstandswerl von 136 Ω/m erhalten.
In Fig.4 gibt die Abszisse den Volumen-Prozentsatz
der dem Polyteirafluoräthylen-Poiymeren zugesetzten Substanz und die Ordinate den Widerstandswert des
erhaltenen Widerstands an. Die Kurven a und fezeigen
die Eigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Widerstände. Die Kurve a wurde
bei Änderung der Menge an Kohlepulver bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Menge an Metallpulver auf 5
Vol.-% erhalten, während die Kurve 6 das Ergebnis der
Änderung der Menge an Metallpulver bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Kohlepulvermenge auf 5 Vol.-°/o
zeigt. Die Teilchengrößen des Kohlenstoffs und des Metalls sowie die anderen Fertigungsbedingungen
waren die gleichen wie in Beispiel 1, nur mit dem Unterschied, daß mit 3% Silber plattierte Kupferteilchen
verwendet wurden. Die Kurve c zeigt die Eigenschaften eines Widerstands aus einem Gemisch
aus Tetrafluoräthylen-Polymeren und Kohlepulver jedoch ohne Metallpulver, während die Kurve d die
Eigenschaften eines Widerstands aus Polytetrafluoräthylen- und Kupferpulver, aber ohne Kohlepulvei
veranschaulicht Diese Kurven verdeutlichen, daß sich der Widerstandswert des nach dem erfindungsgemäßer
Verfahren hergestellten Widerstands bei variierender Mengen an Kohlenstoff und Metall gleichmäßig ändert
so daß Widerstände hergestellt werden können, derer Widerstandswert sich über einen weiten Bereich hinweg
gleichmäßig ändert
F i g. 5 veranschaulicht ein abgewandeltes Verfahren bei dem beim Formpressen des Widerstandsblocks au;
einem Gemisch aus Polytetrafluoräthylen, Kohlepulvei und Metallpulver — wie erwähnt — gleichzeitig du
Anschlüsse oder Klemmen am Widerstandsblocl angeformt werden. Die Anschlüsse selbst werden dabe
aus einem Gemisch eines Polytetrafluoräthylenpuiver und eines Pulvers aus einem elektrisch gut leitendei
Metall, wie Kupfer. Gold oder Silber, gebildet. Gemäß
Fig. 5A wird zunächst ein Gemisch zur Bildung eines Anschlusses in eine Metallform 21 eingegeben, worauf
ein Gemisch 22 zur Bildung des Widerstands auf das Gemisch 20 eingefüllt wird. Schließlich wird ein
Gemisch 23 zur Ausbildung des anderen Anschlusses auf das Gemisch 22 geschüttet. Nach dem Verdichten
mittels Kolben 24 auf die in Fig. 5B gezeigte Weise wird der Formkörper gesintert. Durch Schneiden, d. h.
»Schälen« des so erhaltenen Widerstandsblockes längs seines Umfangs kann ein streifenföriniger Widerstand
28 erhalten werden, der längs seiner beiden Kanten Klemmen oder Anschlüsse 26 und 27 aufweist.
Zur Ausbildung der Anschlüsse 26 und 27 wird das Verhältnis zwischen dem Metallpulver und dem
Polytetrafluorethylen auf mehr als 12% eingestellt. Bei diesem Mischungsverhältnis wird ein spezifischer
Widersland von etwa 0,03 Ω/cm erzielt.
Die Bedingungen beim Formpressen und Sintern sind die gleichen wie bei der Herstellung des Widerstands
selbst.
Bei dem vorstehend in Verbindung mil den F i g. 5 um
h beschriebenen Verfahren ist es möglich, die Anschlüs
se gleichzeitig mit der Herstellung des Widerstands blocks auszubilden und mit Anschlüssen versehen!
Widerstände durch einfaches spiraligcs Aufschneider bzw. »Schälen« des Widerstandsblocks herzustellen. Di
hierbei die Anschlüsse matcrialcinhciilich am Wider
stand angeformt sind, kann der Kontakiwidcrstanc zwischen den Anschlüssen und dem Widerstand sclbs
erheblich vermindert werden, wodurch eine Frwärmunt des Kontaktbereichs vermieden wird.
Beim abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäf: F i g. 7 wurden zwei Widerstände 30 und 31 mit zwe
randseitigen Anschlüssen 32 und 34 sowie einen mittleren Anschluß 33 nach einem ähnlichen Verführer
wie demjenigen gemäß den F i g. 5A und 5B hergestellt Der mittlere Anschluß 33 kann sich dabei in cinei
beliebigen Zwischenstellung befinden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines streifenförmigen elektrischen Widerstandes, unter Verwendung
eines Pulvers aus Polytetrafluoräthylen und eines Pulvers aus elektrisch leitenden Teilchen, wie
beispielsweise Kohlenstoffpulver oder Metallpulver, mit einem Anteil von 4 bis 25 Gew.-% der leitfähigen
Teilchen an der Gesamtmasse, die gemischt werden und anschließend in eine Metallform eingefüllt und
dann unter einem Druck von 600 bis 700 kp/cm2 verpreßt werden, wobei der dabei erhaltene
Formkörper bei einer Temperatur zwischen 320 und 3900C gesintert und anschließend zu Widerstandselementen
weiter verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
a) als Pulver aus elektrisch leitenden Teilchen ein
Gemisch aus Kohlenstoffpulver und Metallpulver mit dem Pulver aus Polytetrafluoräthylen
bereitet wird, in welchem der Anteil der Summe aus dem Metall- und dem Kohlepulver weniger
als 30 Vol.-% des Polytetrafluoräthylenpulvers beträgt,
b) daß das so erhaltene Gemisch in einer Metallform mit zylindrischem Formhohlraum
eingefüllt wird, in dieser verpreßt und der dadurch erhaltene hohlzylindrische Formkörper
anschließend gesintert wird, und
c) daß der hohlzylindrische Formkörper sodann an einer sich parallel zu seiner Längsachse
erstreckenden Linie spiralförmig mit fortlaufend kleiner werdendem radialen Abstand der
Linie von der Längsachse geschnitten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Kupfer, Silber, Gold oder
Messig verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein flockenförmiges Metallpulver
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach dem Verpressen
während einer vorbestimmten Zeitspanne weiterhin dem Formdruck ausgesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein erstes
Gemisch aus einem Polytetrafluoräthylenpulver, einem Kohlepulver und einem Metallpulver zubereitet
wird, bei welchem der Anteil der Summe aus Kohlenstoff und Metall weniger als 17 Vol.-% des
Polytetrafluoräthylens beträgt, daß sodann ein zweites Gemisch aus einem Polytetrafluoräthylenpulver
und einem Pulver eines elektrisch leitfähigen Metalls zubereitet wird, und das erste und das zweite
Gemisch in einer vorbestimmten Reihenfolge in die Metallform eingefüllt und unter Druck verpreßt
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an elektrisch leitfähigem
Metall im zweiten Gemisch auf höchstens 12 Vol.-%, bezogen auf die Menge an Polytetrafluoräthylen,
eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das zweite Gemisch, sodann
das erste Gemisch und schließlich wieder das zweite Gemisch in die Form eingefüllt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst das zweite, dann das erste, dann wieder das zweite, darauf wieder das erste und
schließlich wieder das zweite Gemisch in die Form eingefüllt werden.
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