EP1544313B1 - Faserverstärkter metallischer Verbundwerkstoff - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a composite consisting of a metal matrix and embedded therein inorganic reinforcing fibers, wherein the matrix metal is selected from a group consisting of aluminum, magnesium, titanium and alloys containing these metals as main constituents, and wherein the reinforcing fibers of a mineral material with substantial amounts of silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) exist. Furthermore, it relates to a method for the production and the use of such a material.
- the lightweight structures should meet different requirements with regard to their static or fatigue strength and their damage tolerance depending on the particular application.
- special attention is paid to the damage tolerant properties of lightweight structures.
- An improvement of these damage tolerant properties can be achieved in a variety of ways, such as by increasing the thickness of the skin, by using additional localized stiffeners, or by locally adapting skin thickness to localized stress requirements.
- Another possibility is to use materials with inherently better damage tolerant properties, such as metallic laminates or fiber reinforced laminates.
- metal-based fiber reinforced composites have gained increasing importance recently because the reinforcement of metallic material with fibers allows to significantly increase the mechanical and damage tolerant properties of metallic materials.
- such an improvement of the material properties is associated with significantly higher costs for such composites, a major reason for this being the higher production costs.
- manufacturing processes that are associated with the melting of the base metal material are very time consuming and costly.
- the bonding of metal sheets with fibers embedded in an adhesive film has proven to be a suitable, relatively inexpensive production method.
- a laminate which consists of at least two metal sheets, between which a plastic layer is arranged, which is glued to the metal sheets, said layer containing glass filaments.
- Such metal laminates are in particular for Lightweight structures are suitable for aircraft applications, since they have advantageous mechanical properties with a low structural weight at the same time.
- a metal laminate has become known in which the use of polymer fibers from the group of aramids, polyaromatic hydrazites and aromatic polyesters is provided in a plastic layer.
- the object of the invention is to provide a material of the type mentioned above with significantly improved static properties. It is another object of the invention to provide a method for producing and the use of such a material.
- the first object is achieved by a composite material according to claim 1, wherein the fibers have a length of at least 10 mm and are arranged aligned in at least one direction parallel to each other.
- the reinforcing fibers consist of a mineral material with a proportion of 35 to 55 wt.% Of silicon dioxide (SiO 2 ), of 10 to 25 wt.% Of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), of 7 to 20 wt.% Of iron oxide (Fe 2 O 3 ), from 3 to 10% by weight of magnesium oxide (MgO), from 0 to 5% by weight of titanium oxide (TiO 2 ), from 0 to 5% by weight of nitrogen oxide (N 2 O), from 0 to 10% by weight of kallium oxide (K 2 O) and from 5 to 20% by weight of calcium oxide (CaO).
- the volume fraction of the fibers is between 10 and 70 percent.
- the advantages of the material according to the invention in addition to the significantly improved mechanical and damage tolerant properties in a significant cost reduction over the materials previously used for the same purpose.
- the preparation of the basalt fibers used in the material according to the invention is carried out on the basis of natural rocks, the raw material costs are significantly lower than, for example, those of glass fibers.
- basalt fibers For the production of basalt fibers, a natural rock in the form of basalt, granite, diabase, amphibolite, diorite, trachyte, basalt, porphyry or obsidian can be used.
- the advantages of this Basalt fibers are in their higher modulus of elasticity of 90 to 120 GPa, in the larger temperature working range of -260 to + 650 ° C, in the good properties at changing temperatures, good corrosion properties and in their very good vibration resistance.
- use of such long basalt fibers was known predominantly in the construction industry as a thermal insulation material or for reinforcing concrete products, as well as in the electronics industry for the production of printed circuit boards.
- the composite material shown consists of an upper and lower cover layer 1, 2 of metallic material, in the case of the embodiment described here from an aluminum alloy series 5XXX, here the aluminum alloy AlMg2, which forms the metal matrix.
- the matrix material also metals from the group of aluminum-copper alloys, such as those of the AA2024 type, the aluminum-zinc alloys, such as those of the AA7075 type, aluminum-lithium alloys with a lithium content of 0.5 to 3 percent, titanium alloys , Copper or copper alloys and magnesium alloys are used.
- Fibers 3 made of a basalt material are arranged between these cover layers, these fibers 3 having the chemical composition given in the following table: component % By weight preferred range% by weight SiO 2 35-55 47-50 TiO 2 0-5 1-2 Al 2 O 3 10-25 15-18 Fe 2 O 3 , FeO 7-20 11-14 MgO 3-10 5-7 CaO 5-20 6-12 N 2 O 0-5 2-3 K 2 O 0-10 2-7
- the basalt fibers 3 in the aluminum matrix are parallel to one another in at least one direction. But they can also be connected together in the form of tissues. In both cases, the volume fraction of the fibers 3 on the composite material is in a range between 10 and 70 percent.
- the fibers 3 are provided with a thermally generated coating 4 of particles made of aluminum, magnesium, titanium or alloys containing these metals as main constituents, their breaking elongation being about 2 to 5 percent.
- the fibers coated in this way can be bonded to one another in the form of films 5, the compound of the coated fibers 3 being used to form films 5 at temperatures of more than 200 ° C. and at a pressure of more than 10 MPa.
- foils 5 coated fibers 3 and other additional sheets of aluminum, magnesium, titanium and alloys containing these metals as in Main components are used, and these can be connected in the production either simultaneously or successively with each other, for example by rolling.
- the sheets used in the composite material have a sheet thickness of 0.01 to 3 mm, the sheets 5 of the coated fibers 3 may either be uniformly oriented or have different orientations in successive layers.
- the resulting composite material can be rolled together to form a composite sheet after the connection of the individual layers and then be used in particular in the construction of aircraft fuselages, wherein at least in a part of the trunk, the skin and / or any skin reinforcement consists of such a composite material.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, bestehend aus einer metallenen Matrix sowie darin eingebetteten anorganischen Verstärkungsfasern, wobei das Matrixmetall aus einer Gruppe stammt, die von Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, gebildet wird, und wobei die Verstärkungsfasern aus einem mineralischen Werkstoff mit wesentlichen Anteilen an Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) und Eisenoxid (Fe2O3) bestehen. Ferner betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwendung eines derartigen Werkstoffs.
- Bei der Auslegung von Leichtbaustrukturen wird ein besonderer Wert auf die Gewichtsreduzierung gelegt, zudem sollen die Leichtbaustrukturen in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich ihrer statischen bzw. Ermüdungsfestigkeit sowie ihrer Schadenstoleranz erfüllen. Insbesondere im Flugzeugbau wird ein besonderes Augenmerk auf die schadenstoleranten Eigenschaften von Leichtbaustrukturen gelegt. Eine Verbesserung dieser schadenstoleranten Eigenschaften kann dabei auf unterschiedliche Weise erreicht werden, so zum Beispiel durch eine Erhöhung der Hautdicke, durch die Verwendung von zusätzlichen lokalen Versteifungen oder durch die lokale Anpassung der Hautdicke an die örtlichen Belastungsanforderungen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Werkstoffen mit inhärent besseren schadenstoleranten Eigenschaften, wie beispielsweise metallische Schichtwerkstoffe oder faserverstärkte Laminate.
- In letzter Zeit haben insbesondere die faserverstärkten Verbundwerkstoffe auf Metallbasis eine zunehmende Bedeutung gewonnen, da es die Verstärkung von metallischem Material mit Fasern erlaubt, die mechanischen und schadenstoleranten Eigenschaften von metallischen Werkstoffen signifikant zu erhöhen. Allerdings ist eine solche Verbesserung der Werkstoffeigenschaften zugleich mit deutlich höheren Kosten für derartige Verbundwerkstoffe verbunden, wobei ein wesentlicher Grund dafür in den höheren Herstellungskosten liegt. Vor allem Herstellungsverfahren, die mit dem Aufschmelzen des Basismetallwerkstoffes verbunden sind, sind sehr zeit-und kostenaufwendig. Als geeignetes, relativ preiswertes Herstellungsverfahren hat sich demgegenüber das Zusammenkleben von Metallblechen mit in einer Klebefolie eingebundenen Fasern bewährt.
- So ist aus der
EP 0 312 151 ein Laminat bekannt geworden, das aus wenigstens zwei Metallblechen besteht, zwischen denen eine Kunststoffschicht angeordnet ist, die mit den Metallblechen verklebt ist, wobei diese Schicht Glasfilamente enthält. Derartige Metall-Laminate sind insbesondere für Leichtbaustrukturen für Flugzeuganwendungen geeignet, da sie vorteilhafte mechanische Eigenschaften bei einem zugleich niedrigen strukturellen Gewicht aufweisen. Weiterhin ist aus derEP 0 056 288 ein Metall-Laminat bekannt geworden, bei dem die Verwendung von Polymerfasern aus der Gruppe von Aramiden, polyaromatischen Hydraziten und aromatischen Polyestern in einer Kunststoffschicht vorgesehen ist. Schließlich ist aus derEP 0 573 507 ein Laminatmaterial bekannt geworden mit in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Verstärkungsfasern, die aus einer Gruppe stammen, die aus Kohlenstoff-, polyaromatischen Amid-, Aluminiumoxid-, Siliziumcarbidfasern oder deren Mischungen besteht. - Die Vorteile dieser bekannten laminierten Werkstoffe liegen im Vergleich zu äquivalenten monolithischen Blechen in den deutlich höheren schadenstoleranten Eigenschaften. So sind die Rißwachstumseigenschaften von langfaserverstärkten Metall-Laminaten um den Faktor 10 bis 20 besser als diejenigen von monolithischen Blechen. Andererseits besitzen diese bekannten laminierten Werkstoffe im Vergleich zu monolithischen Werkstoffen häufig schlechtere statische Eigenschaften. Beispielsweise kann die Elastizitätsgrenze bei einer Zug-, Druck- oder Schubbeanspruchung bei solchen bekannten laminierten Werkstoffen in Abhängigkeit von den verwendeten Klebesystemen und Fasertypen um 5 bis 20% niedriger liegen als bei äquivalenten monolithischen Werkstoffen.
- Eine Verbesserung der statischen Eigenschaften bekannter Verbundwerkstoffe ist mit höheren Kosten verbunden. Die bekannten Herstellungsmethoden, wie Pulvermetallurgie oder Einbettung von Fasern in einem geschmolzenem Matrixmaterial, sind sehr kostenaufwendig und die Größen der damit herstellbaren Erzeugnissen sind sehr begrenzt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff der eingangs genannten Art mit wesentlich verbesserten statischen Eigenschaften bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwendung eines derartigen Werkstoffs anzugeben.
- Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem die Fasern eine Länge von wenigstens 10 mm aufweisen und in wenigstens einer Richtung parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind. Die Verstärkungsfasern bestehen aus einem mineralischen Werkstoff mit einem Anteil von 35 bis 55 Gew.% Siliziumdioxid (SiO2), von 10 bis 25 Gew.% Aluminiumoxid (Al2O3), von 7 bis 20 Gew.% Eisenoxid (Fe2O3), von 3 bis 10 Gew.% Magnesiumoxid (MgO), von 0 bis 5 Gew.% Titanoxid (TiO2), von 0 bis 5 Gew.% Stickstoffoxid (N2O), von 0-10 Gew.% Kalliumoxid (K2O) und von 5 bis 20 Gew.% % Kalziumoxid (CaO). Der Volumenanteil der Fasern liegt zwischen 10 und 70 Prozent. Vorteilhafte Weiterbildungen des Werkstoff nach der Erfindung sowie die Lösung der weiteren Aufgaben sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
- Die Vorteile des Werkstoffs nach der Erfindung liegen neben den wesentlich verbesserten mechanischen und schadenstoleranten Eigenschaften in einer erheblichen Kostenreduzierung gegenüber den bislang für den gleichen Anwendungszweck eingesetzten Werkstoffen. Die Herstellung der in dem erfindungsgemäßen Werkstoff verwendeten Basaltfasern erfolgt dabei auf der Basis von natürlichen Gesteinen, wobei die Rohstoffkosten deutlich niedriger als beispielsweise diejenigen von Glasfasern sind.
- Für die Herstellung von Basaltfasern kann ein natürliche Gestein in Form von Basalt, Granit, Diabas, Amphibolite, Diorit, Trachyt, Basalt, Porphyr oder Obsidian verwendet werden. Die Vorteile dieser Basaltfasern liegen in ihrem höherem Elastizitätsmodul von 90 bis120 GPa, im größeren Temperaturarbeitsbereich vom -260 bis +650°C, in den guten Eigenschaften bei wechselnden Temperaturen, guten Korrosionseigenschaften sowie in ihrer sehr guten Vibrationsbeständigkeit. Bisher war eine Verwendung derartiger langer Basaltfasern überwiegend aus der Bauindustrie als Thermoisolierungs-Werkstoff oder zur Armierung von Betonerzeugnissen sowie in der Elektronikindustrie für die Herstellung von Platinen bekannt. Daneben ist aus der
EP 0 181 996 A2 , derUS 4 615 733 sowie der die Verwendung von Verbundwerkstoffen mit metallener Matrix bekannt geworden, die jeweils ein Verstärkung aus kurzen, ungerichtet verteilten Fasern aufweisen, wobei diese Fasern ebenfalls überwiegend aus einem mineralischen Werkstoff mit wesentlichen Anteilen an Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) und Eisenoxid (Fe2O3) bestehen. Diese bekannten kurzfaserverstärkten Verbundwerkstoffe sind jedoch für den vorgesehenen Einsatzzweck nicht geeignet, da sie nicht über die geforderten mechanischen Eigenschaften bezüglich der Schadenstoleranz, insbesondere der Rißzähigkeit und dem Widerstand gegen Ermüdungsrißausbreitung, verfügen.RU 2 182 605 C1 - Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Darstellung einer Faserfolie mit Deckblechen in Verbundwerkstoff
- Fig. 2
- einen ersten Herstellungsschnitt
- Fig. 3
- Faseranordnung in einer Folie
- Fig. 4
- eine weitere Ausführungsform mit zwei Faserfolien mit Deckblechen in Verbundwerkstoffen
- Fig. 5
- Anordnung von Faserfolien ohne Deckbleche mit mehreren unidirektional eingerichteten Faserfolien in Verbundwerkstoff
- Fig. 6
- Anordnung von Faserfolien ohne Deck- und Zwischenblechen in Verbundwerkstoff
- Fig. 7
- Anordnung von Faserfolien mit Deck- und Zwischenblechen in Verbundwerkstoff.
- Der dargestellte Verbundwerkstoff besteht aus einer oberen und unteren Decklage 1, 2 aus metallenem Werkstoff, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels aus einer Aluminiumlegierung der Serie 5XXX, hier der Aluminiumlegierung AlMg2, der die metallene Matrix bildet. In gleicher Weise können als Matrixwerkstoff auch Metalle aus der Gruppe der Aluminium-Kupfer-Legierungen, wie solche vom Typ AA2024, der Aluminium-Zink-Legierungen, wie solche vom Typ AA7075, Aluminium-Lithiumlegierungen mit einem Lithiumgehalt von 0.5 bis 3 Prozent, Titanlegierungen, Kupfer bzw. Kupferlegierungen sowie Magnesiumlegierungen verwendet werden.
- Zwischen diesen Decklagen sind Langfasern 3 aus einem Basaltwerkstoff angeordnet, wobei diese Fasern 3 die in der nachfolgenden Tabelle angegebene chemische Zusammensetzung aufweisen:
Komponente Gew. % bevorzugter Bereich Gew. % SiO2 35-55 47-50 TiO2 0-5 1-2 Al2O3 10-25 15-18 Fe2O3, FeO 7-20 11-14 MgO 3-10 5-7 CaO 5-20 6-12 N2O 0-5 2-3 K2O 0-10 2-7 - Bei ihrer Positionierung liegen die Basaltfasern 3 in der Aluminiummatrix wenigstens in einer Richtung parallel zueinander. Sie können aber auch in Form von Geweben miteinander verbunden sein. In beiden Fällen liegt der Volumenanteil der Fasern 3 am Verbundwerkstoff in einem Bereich zwischen 10 und 70 Prozent.
- Die Fasern 3 werden mit einer thermisch erzeugten Beschichtung 4 aus Partikeln, die aus Aluminium, Magnesium, Titan oder Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, versehen, ihre Bruchdehnung beträgt etwa 2 bis 5 Prozent. Die so beschichteten Fasern können in Form von Folien 5 miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung der beschichteten Fasern 3 zur Bildung von Folien 5 bei Temperaturen von über 200°C und bei einem Preßdruck von über 10 MPa erfolgt.
- In dem Verbundwerkstoff können insbesondere auch mehrere Folien 5 mit beschichteten Fasern 3 sowie andere zusätzliche Bleche, die aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, verwendet werden, wobei diese bei der Herstellung entweder gleichzeitig oder aber sukzessive miteinander verbunden werden können, beispielsweise durch Walzen. Die Verbindung von einzelnen Folien 5 mit beschichteten Fasern 3, sei es mit oder ohne Zwischenlagen aus zusätzlichen Blechen, kann aber auch in einer Vakuumkammer oder in einem Autoklaven unter Schutzgas erfolgen.
- Die in dem Verbundwerkstoff verwendeten Bleche weisen eine Blechdicke von 0.01 bis 3 mm auf, die Folien 5 aus den beschichteten Fasern 3 können entweder einheitlich orientiert sein oder aber in aufeinanderfolgenden Lagen unterschiedliche Orientierungen aufweisen.
- Der so erhaltene Verbundwerkstoff kann nach der erfolgten Verbindung der einzelnen Schichten miteinander zu einem Verbundblech ausgewalzt werden und dann insbesondere beim Bau von Flugzeugrümpfen verwendet werden, wobei zumindest in einem Teil des Rumpfes die Haut und/oder eine etwaige Hautverstärkung aus einem derartigen Verbundwerkstoff besteht.
Claims (18)
- Verbundwerkstoff, bestehend aus einer metallenen Matrix sowie darin eingebetteten anorganischen Verstärkungsfasern, wobei das Matrixmetall aus einer Gruppe stammt, die von Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, gebildet wird, und wobei die Verstärkungsfasern aus einem mineralischen Werkstoff mit einem Anteil von 35 bis 55 Gew.% Siliziumoxid (SiO2), von 10 bis 25 Gew. % Aluminiumoxid (Al2O3), von 7 bis 20 Gew.% Eisenoxid (Fe2O3), von 3 bis 10 Gew.% Magnesiumoxid, 0 bis 5 Gew:% Titanoxid (TiO2), 0 bis 5 Gew.% Stickstoffoxid (N2O), 0 bis 10 Gew.% Kalliumoxid (K2O) und von 5 bis 20 Gew.% Kalziumoxid (CaO) bestehen, und der Volumenanteil der Fasern (3) zwischen 10 und 70 Prozent liegt, wobei Fasern (3) eine Länge von wenigstens etwa 10 mm aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) in wenigstens einer Richtung parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Siliziumoxid (SiO2) 47 bis 50 Gew.% beträgt.
- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Aluminiumoxid (Al2O3) 15 bis 18 Gew.% beträgt.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Eisenoxid (Fe2O3) 11 bis 14 Gew.% beträgt.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Magnesiumoxid (MgO) 5 bis 7 Gew.% beträgt.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kalziumoxid (CaO) 6 bis 12 Gew.% beträgt.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) durch thermisches Beschichten mit Partikeln aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, miteinander verbunden sind.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) in Form eines Gewebes miteinander verbunden sind.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) in Form von Folie (5) durch Partikel miteinander verbunden sind.
- Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Folien (5) aus beschichteten Fasern (3) zusammen mit Zwischenlagen aus zusätzlichen Blechen aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, miteinander verbunden sind.
- Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (1,2) eine Stärke von 0.01 bis 3 mm aufweisen.
- Verbundwerkstoff nach der einem Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (5) aus beschichteten Fasern (3) in unterschiedlichen Orientierungen angeordnet sind.
- Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Fasern (3) bzw. Folien mit eingebetteten Fasern (3) bei Temperaturen oberhalb von 200°C zu Folien (1,2) verbunden werden.
- Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der eingebetteten Fasern (3) zu Folien (1,2) bei einem Pressdruck von wenigstens 10 MPa erfolgt.
- Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung in einer Vakuumkammer erfolgt.
- Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung unter Schutzgas in einem Autoklaven oder Schutzgasatmosphäre.
- Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Verbindung der einzelnen Schichten hergestellte Verbund zu einem Verbundblech gewalzt wird.
- Verwendung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Herstellung eines Flugzeugrumpfes, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Teil des Rumpfes die Haut und/oder eine Hautverstärkung aus Verbundwerkstoff besteht.
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