JP2018193584A - Copper porous body, copper porous composite member, manufacturing method of copper porous body and manufacturing method of copper porous composite member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、銅又は銅合金からなる銅多孔質体、及び、この銅多孔質体が部材本体に接合されてなる銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a copper porous body made of copper or a copper alloy, a copper porous composite member obtained by bonding the copper porous body to a member body, a method for producing a copper porous body, and a copper porous composite. The present invention relates to a method for manufacturing a member.
上述の銅多孔質焼結体及び銅多孔質複合部材は、例えば各種電池における電極及び集電体、ヒートパイプ等の熱交換器用部材、消音部材、フィルター、衝撃吸収部材等として使用されている。
例えば、特許文献1には、三次元網目状構造体をなす銅多孔質体を導電性金属の部材本体に一体被着した伝熱部材が提案されている。
The above-mentioned copper porous sintered body and copper porous composite member are used as, for example, electrodes and current collectors in various batteries, heat exchanger members such as heat pipes, silencers, filters, impact absorbing members, and the like.
For example,
ここで、特許文献1においては、三次元網目状構造体をなす金属焼結体(銅多孔質体)の製造方法として、加熱により焼失する材質から成る三次元網目状構造体(例えばウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム等連続気泡を持つ合成樹脂発泡体、天然繊維クロス、人造繊維クロス等)の骨格に粘着剤を塗布し、金属粉状物を被着した成形体を用いる方法や、加熱により焼失する材質から成り、かつ三次元網目状構造体を形成することができる材料(例えばパルプや羊毛繊維)に金属粉状物を抄き込んだシート状成形体を用いる方法等が開示されている。
Here, in
ここで、特許文献1に記載されたように、金属粉状物を用いて金属焼結体(銅多孔質焼結体)を成形する場合には、焼結時における収縮率が大きいため、伝導パスが確保されず、導電性及び熱伝導性に優れ、かつ、気孔率の高い銅多孔質焼結体を得ることが困難であるといった問題があった。
そこで、例えば特許文献2,3に示すように、焼結原料として銅又は銅合金からなる銅繊維を用いた銅多孔質体が提案されている。
Here, as described in
Thus, for example, as shown in
特許文献2には、銅繊維を加圧下において通電加熱を行うことにより、銅多孔質体を得る方法が開示されている。
特許文献3には、銅繊維を大気雰囲気で800℃に加熱した後に、水素雰囲気で450℃に加熱することにより、銅多孔質体を得る方法が開示されている。
ところで、上述の銅多孔質体においては、高い気孔率とオープンセル構造を有することと合わせて、導電部材として用いられる場合には、高い導電性が要求される。また、熱交換部材として用いられる場合には、高い熱伝導性が要求される。
ここで、特許文献2においては、銅繊維同士を十分に接合するためには、加圧下において通電焼結を行う必要があるため、加圧によって気孔率が低下してしまうといった問題があった。また、均一に加圧を行う必要があるため、焼結時に使用する成形型の形状が制約されてしまうといった問題があった。
さらに、特許文献3においては、大気雰囲気で加熱を実施することから、銅繊維中の酸素濃度の増加や、その後の水素雰囲気での加熱時にボイドが発生し、銅多孔質体の導電性及び熱伝導性が低下するおそれがあった。
By the way, in the above-mentioned copper porous body, high conductivity is required when used as a conductive member in combination with having a high porosity and an open cell structure. Further, when used as a heat exchange member, high thermal conductivity is required.
Here, in
Furthermore, in
本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、高い気孔率を有するとともに十分な導電性及び熱伝導性を有する銅多孔質体、この銅多孔質体が部材本体に接合された銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in the background as described above, and has a high porosity and a sufficient conductivity and thermal conductivity, and the copper porous body is bonded to a member body. An object of the present invention is to provide a produced copper porous composite member, a method for producing a copper porous body, and a method for producing a copper porous composite member.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅多孔質体は、複数の銅繊維の焼結体からなり、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体であって、前記骨格部を形成する銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされるとともに、長さ方向に直交する断面の円形度が0.92以上とされており、気孔率が50%以上90%以下の範囲内とされていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above-mentioned object, the copper porous body of the present invention comprises a sintered body of a plurality of copper fibers and has a three-dimensional network structure skeleton portion. The copper fiber forming the skeleton is made of copper or a copper alloy, the diameter R is in the range of 0.01 mm to 1.0 mm, and the ratio L / L of the length L to the diameter R is L / R is in the range of 4 or more and 200 or less, the circularity of the cross section perpendicular to the length direction is 0.92 or more, and the porosity is in the range of 50% or more and 90% or less. It is characterized by that.
この構成の銅多孔質体によれば、前記骨格部を形成する銅繊維の直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされているので、銅繊維同士の間に十分な空隙が確保され、気孔率を50%以上90%以下の範囲内とすることができる。
ここで、直径Rとは、各繊維の断面積Aを元に算出される値であり、断面形状に関わらず真円であると仮定し、以下の式により定義されるものである。
R=(A/π)1/2×2
According to the copper porous body having this configuration, the diameter R of the copper fiber forming the skeleton is in the range of 0.01 mm to 1.0 mm, and the ratio L / R of the length L to the diameter R is L / R. Is in the range of 4 or more and 200 or less, a sufficient gap is ensured between the copper fibers, and the porosity can be in the range of 50% or more and 90% or less.
Here, the diameter R is a value calculated on the basis of the cross-sectional area A of each fiber, and is defined by the following equation assuming a perfect circle regardless of the cross-sectional shape.
R = (A / π) 1/2 × 2
そして、本発明では、前記骨格部を形成する銅繊維の長さ方向に直交する断面の円形度を規定している。ここで、円形度Cは、銅繊維の断面積をA、銅繊維の断面の周長をQとしたときに、下記の式で表されるものである。
円形度C=(4πA)0.5/Q
断面形状が真円の場合には円形度Cが1となり、断面形状が多角形、アスペクト比の大きい長方形等になると、0<C≦1の範囲において、円形度Cがより小さい値となる。
And in this invention, the circularity of the cross section orthogonal to the length direction of the copper fiber which forms the said frame | skeleton part is prescribed | regulated. Here, the circularity C is expressed by the following equation, where A is the cross-sectional area of the copper fiber and Q is the circumferential length of the cross-section of the copper fiber.
Circularity C = (4πA) 0.5 / Q
When the cross-sectional shape is a perfect circle, the circularity C is 1. When the cross-sectional shape is a polygon, a rectangle with a large aspect ratio, or the like, the circularity C is a smaller value in the range of 0 <C ≦ 1.
本発明では、前記骨格部を形成する銅繊維の前記断面の円形度が0.92以上とされているので、銅繊維を積層した際に、銅繊維同士が接触する箇所が多くなり、積層した銅繊維同士の接触点数が十分に確保される。また、断面形状が円形に近似しており、断面形状のバラつきも小さいため、各接触点の接触面積のバラつきも小さくなるため、最終的に得られる銅多孔質体の内部に均一な伝導パスを形成することが可能となり、銅多孔質の導電性を向上させることが可能となるとともに、銅繊維同士の間に空隙を確保することができ、気孔率を高くすることが可能となる。
よって、高い気孔率を有するとともに十分な導電性を有する銅多孔質体を提供することが可能となる。また、電気伝導と同じく自由電子をキャリアとする熱伝導においても、優れた銅多孔質を提供することが可能となる。
In the present invention, since the circularity of the cross section of the copper fiber forming the skeleton portion is 0.92 or more, when the copper fibers are laminated, the number of places where the copper fibers are in contact with each other is increased. A sufficient number of contact points between the copper fibers is ensured. In addition, since the cross-sectional shape approximates a circle and the cross-sectional shape variation is small, the contact area variation at each contact point is also small, so a uniform conduction path is formed inside the finally obtained copper porous body. It becomes possible to form, and it becomes possible to improve the electroconductivity of a copper porous material, and also to ensure a space | gap between copper fibers, and it becomes possible to make a porosity high.
Accordingly, it is possible to provide a copper porous body having a high porosity and sufficient conductivity. Further, it is possible to provide an excellent copper porous material in heat conduction using free electrons as carriers as well as electric conduction.
本発明の銅多孔質複合部材は、部材本体と、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体との接合体からなる銅多孔質複合部材であって、前記銅多孔質体が前述の銅多孔質体であることを特徴としている。
この構成の銅多孔質複合部材によれば、気孔率が高く、かつ、導電性及び熱伝導性に優れた銅多孔質体と部材本体との接合体とされていることから、優れた特性の多孔質複合部材を提供することができる。
The copper porous composite member of the present invention is a copper porous composite member comprising a joined body of a member main body and a copper porous body having a three-dimensional network structure skeleton, wherein the copper porous body is the above-mentioned copper porous body. It is characterized by being a copper porous body.
According to the copper porous composite member having this configuration, since it is a joined body of a copper porous body and a member main body having high porosity and excellent conductivity and thermal conductivity, it has excellent characteristics. A porous composite member can be provided.
ここで、本発明の銅多孔質複合部材においては、前記部材本体のうち前記銅多孔質体との接合面が銅又は銅合金で構成され、前記銅多孔質体と前記部材本体との接合部が焼結層とされていることが好ましい。
この場合、前記銅多孔質体と前記部材本体との接合部が焼結層とされているので、前記銅多孔質体と前記部材本体とが強固に接合されることになり、銅多孔質複合部材として優れた導電性及び熱伝導性を得ることができる。
Here, in the copper porous composite member of the present invention, the joint surface of the member main body with the copper porous body is composed of copper or a copper alloy, and the joint portion between the copper porous body and the member main body. Is preferably a sintered layer.
In this case, since the joining portion between the copper porous body and the member main body is a sintered layer, the copper porous body and the member main body are firmly joined, and the copper porous composite Excellent conductivity and thermal conductivity can be obtained as a member.
また、本発明の銅多孔質体の製造方法は、複数の銅繊維の焼結体からなり、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体の製造方法であって、直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされるとともに、その断面の円形度が0.92以上とされた前記銅繊維を積層する銅繊維積層工程と、積層された複数の前記銅繊維同士を焼結する焼結工程と、を備えていることを特徴としている。 Moreover, the manufacturing method of the copper porous body of this invention is a manufacturing method of the copper porous body which consists of a sintered compact of a some copper fiber, and has the frame | skeleton part of a three-dimensional network structure, and the diameter R is 0.00. The ratio L / R between the length L and the diameter R is in the range of 4 to 200 and the circularity of the cross section is 0.92 or more. And a copper fiber laminating step for laminating the copper fibers, and a sintering step for sintering the plurality of laminated copper fibers.
この構成の銅多孔質体の製造方法によれば、銅繊維の直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされ、長さ方向に直交する断面の円形度が0.92以上とされているので、銅繊維同士の接触点数が確保されることになり、導電性及び熱伝導性に優れた銅多孔質体を得ることができる。また、銅繊維同士の間に空隙を確保することができ、気孔率が高い銅多孔質体を得ることができる。 According to the method for producing a copper porous body having this configuration, the diameter R of the copper fiber is in the range of 0.01 mm or more and 1.0 mm or less, and the ratio L / R of the length L to the diameter R is 4 or more. Since the circularity of the cross section perpendicular to the length direction is 0.92 or more within the range of 200 or less, the number of contact points between the copper fibers will be secured, and the conductivity and thermal conductivity will be An excellent copper porous body can be obtained. Moreover, a space | gap can be ensured between copper fibers, and a copper porous body with a high porosity can be obtained.
本発明の銅多孔質複合部材の製造方法は、部材本体と、三次元網目構造の骨格部を有する銅多孔質体との接合体からなる銅多孔質複合部材の製造方法であって、前述の銅多孔質体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴とする。 The method for producing a copper porous composite member of the present invention is a method for producing a copper porous composite member comprising a joined body of a member main body and a copper porous body having a three-dimensional network structure skeleton. It has the joining process which joins a copper porous body and the said member main body.
この構成の銅多孔質複合部材の製造方法によれば、上述の銅多孔質体の製造方法によって製造された銅多孔質体を備えることになり、導電性及び熱伝導性等の特性に優れた銅多孔質複合部材を得ることができる。なお、部材本体としては、例えば、板、棒、管等が挙げられる。 According to the manufacturing method of the copper porous composite member having this configuration, the copper porous body manufactured by the above-described manufacturing method of the copper porous body is provided, and the characteristics such as conductivity and thermal conductivity are excellent. A copper porous composite member can be obtained. In addition, as a member main body, a board, a rod, a pipe | tube, etc. are mentioned, for example.
ここで、本発明の銅多孔質複合部材の製造方法においては、前記部材本体のうち前記銅多孔質体が接合される接合面は、銅又は銅合金で構成されており、前記銅多孔質体と前記部材本体とを焼結によって接合することが好ましい。
この場合、前記部材本体と前記銅多孔質体とを焼結によって一体化することができ、特性の安定性に優れた銅多孔質複合部材を製造することが可能となる。
Here, in the method for producing a copper porous composite member of the present invention, a joining surface to which the copper porous body is joined in the member body is made of copper or a copper alloy, and the copper porous body It is preferable to join the member main body by sintering.
In this case, the member main body and the copper porous body can be integrated by sintering, and a copper porous composite member having excellent characteristic stability can be manufactured.
本発明によれば、高い気孔率を有するとともに十分な導電性及び熱伝導性を有する銅多孔質体、この銅多孔質体が部材本体に接合された銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a copper porous body having high porosity and sufficient conductivity and thermal conductivity, a copper porous composite member in which the copper porous body is joined to a member body, and a copper porous body The manufacturing method and the manufacturing method of a copper porous composite member can be provided.
以下に、本発明の実施形態である銅多孔質体、銅多孔質複合部材、銅多孔質体の製造方法、及び、銅多孔質複合部材の製造方法について、添付した図面を参照して説明する。 Hereinafter, a copper porous body, a copper porous composite member, a copper porous body manufacturing method, and a copper porous composite member manufacturing method according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. .
(第一の実施形態)
まず、本発明の第一の実施形態である銅多孔質体10について、図1から図5を参照して説明する。
本実施形態である銅多孔質体10は、図1に示すように、複数の銅繊維11が焼結された骨格部12を有している。
(First embodiment)
First, the copper
The copper
本実施形態である銅多孔質体10においては、気孔率Pが50%以上90%以下の範囲内とされている。
気孔率Pは、真密度DT(g/cm3)を用いて、以下の式で算出した。なお、銅多孔質体の質量をm(g)、銅多孔質体の体積をV(cm3)とした。
気孔率P(%)=(1−(m/(V×DT)))×100
In the copper
The porosity P was calculated by the following formula using the true density D T (g / cm 3 ). The mass of the copper porous body was m (g), and the volume of the copper porous body was V (cm 3 ).
Porosity P (%) = (1− (m / (V × D T ))) × 100
さらに、本実施形態である銅多孔質体10においては、JIS C 2525に準拠した4端子法によって測定された銅多孔質体10の導電率σP(%IACS)を、銅多孔質体10の見掛け密度比DAで除することによって規定される気孔率規格化導電率σN(%IACS)が18%IACS以上とされている。なお、気孔率規格化導電率σNおよび見掛け密度比DAは、それぞれ以下の式で算出される。
気孔率規格化導電率 σN(%IACS)=σP×(1/DA)
見掛け密度比 DA=m/(V×DT)
Furthermore, in the copper
Porosity normalized conductivity σ N (% IACS) = σ P × (1 / D A )
Apparent density ratio D A = m / (V × D T )
ここで、骨格部12を構成する銅繊維11は、銅又は銅合金からなり、直径Rが0.01mm以上1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされている。本実施形態では、銅繊維11は、例えばC1020(無酸素銅)で構成されている。
なお、本実施形態では、銅繊維11には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体10においては、その見掛け密度比DAが銅繊維11の真密度DTの0.50以下とされている。銅繊維11の形状については、前記見掛け密度比DAが銅繊維11の真密度DTの0.50以下となる限りにおいて、直線状、曲線状など任意であるが、銅繊維11の少なくとも一部に、ねじり加工や曲げ加工等により所定の形状付与加工をされたものを用いると、銅繊維11同士の間の空隙形状を立体的かつ等方的に形成させることができ、その結果、銅多孔質体10の導電性及び熱伝導性等の各種特性の等方性向上に繋がる。
Here, the
In the present embodiment, the
なお、銅繊維11は、引き抜き法、コイル切削法、ビビリ切削法、ワイヤ切削法、溶融紡糸法などにより、所定の直径Rに調整され、これをさらに所定のL/Rを満たすように長さを調整して切断することにより、製造される。
ここで、直径Rとは、各繊維の断面積Aを元に算出される値であり、断面形状に関わらず真円であると仮定し、以下の式により定義されるものである。
直径R=(A/π)1/2×2
Note that the
Here, the diameter R is a value calculated on the basis of the cross-sectional area A of each fiber, and is defined by the following equation assuming a perfect circle regardless of the cross-sectional shape.
Diameter R = (A / π) 1/2 × 2
そして、骨格部12を構成する銅繊維11は、長さ方向に直交する断面の円形度Cが0.92以上、1以下とされている。
ここで、円形度Cとは、銅繊維11の断面積をA、銅繊維11の断面の周長をQとしたときに、以下の式により定義されるものである。
円形度C=(4πA)0.5/Q
And as for the
Here, the circularity C is defined by the following equation, where A is the cross-sectional area of the
Circularity C = (4πA) 0.5 / Q
真円であると円形度Cは1となり、断面積Aに対して周長Qが長くなると円形度Cが小さくなる。よって、断面が多角形状となる場合やアスペクト比が大きい形状となると、円形度Cが小さくなる。
ここで、正多角形の円形度Cを示すグラフを図2に示す。
The circularity C is 1 when it is a perfect circle, and the circularity C decreases as the circumferential length Q increases with respect to the cross-sectional area A. Therefore, when the cross section has a polygonal shape or a shape with a large aspect ratio, the circularity C decreases.
Here, the graph which shows the circularity C of a regular polygon is shown in FIG.
図2に示すように、正多角形の場合において円形度Cが0.92以上となるのは、正N角形において、Nが5以上の整数の場合である。
そして、本実施形態においては、骨格部12を構成する銅繊維11は、図3に示すように、断面形状が概略円形状をなすものとされている。
As shown in FIG. 2, in the case of a regular polygon, the circularity C is 0.92 or more when N is an integer of 5 or more in a regular N-gon.
And in this embodiment, as shown in FIG. 3, the cross-sectional shape of the
ここで、銅繊維11の直径Rが0.01mm未満の場合には、銅繊維11同士の接合面積が小さく、導電性及び熱伝導性が不足するおそれがある。一方、銅繊維11の直径Rが1.0mmを超える場合には、銅繊維11同士が接触する接点の数が不足し、やはり、導電性及び熱伝導性が不足するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維11の直径Rを0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内に設定している。なお、さらなる導電性及び熱伝導性の向上を図る場合には、銅繊維11の直径Rの下限を0.03mm以上とすることが好ましく、銅繊維11の直径Rの上限を0.5mm以下とすることが好ましい。
Here, when the diameter R of the
From the above, in this embodiment, the diameter R of the
また、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rが4未満の場合には、積層配置したときに嵩密度DPを銅繊維11の真密度DTの50%以下とすることが難しく、気孔率Pの高い銅多孔質体10を得ることが困難となるおそれがある。一方、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rが200を超える場合には、積層配置したときに銅繊維11を均一に分散させることができなくなり、均一な気孔率Pを有する銅多孔質体10を得ることが困難となるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rを4以上、200以下の範囲内に設定している。なお、さらなる気孔率Pの向上を図る場合には、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/Rの下限を10以上とすることが好ましい。また、気孔率Pがさらに均一な銅多孔質体10を得るためには、銅繊維11の長さLと直径Rとの比L/R上限を100以下とすることが好ましい。
Further, when the ratio L / R of the length L and the diameter R of the
From the above, in this embodiment, the ratio L / R between the length L and the diameter R of the
さらに、骨格部12を形成する銅繊維11の断面形状が三角形状や高アスペクト比形状等となって円形度Cが0.92未満になった場合には、充填時に銅繊維11同士の接触点数が確保されず、また、繊維断面の凹凸により接触点ごとに接触面積にバラつきが生じるため、焼結後の銅多孔質体10内部に均一な伝導パスが形成されにくく、銅多孔質体10の導電性及び熱伝導性が低下するおそれがある。
これは金属繊維同士を接合させてなる三次元網目状構造体において、構造体の内部構造が不均一であると、導電率の測定端子間距離(最短距離)に対して、実際の伝導パスが大きくなってしまうからであると考えられる。また、内部構造が不均一であると、異方性の原因にもなる。そのため、導電性及び熱伝導性に優れる金属繊維三次元網目状構造体を作製するには、繊維同士の接合点が十分に確保されたうえで、それら接合部の面積のバラつきが小さいことが望ましい。
以上のことから、本実施形態では、骨格部12を形成する銅繊維11の断面の円形度Cを0.92以上の範囲に設定している。なお、さらなる気孔率Pの向上及び導電性の向上を図る場合には、骨格部12を形成する銅繊維11の断面の円形度Cの下限を0.95以上とすることが好ましい。
Furthermore, when the cross-sectional shape of the
This is because, in a three-dimensional network structure formed by bonding metal fibers, if the internal structure of the structure is non-uniform, the actual conduction path will be less than the distance between the measurement terminals of the conductivity (shortest distance). This is thought to be because it grows larger. In addition, if the internal structure is non-uniform, it also causes anisotropy. Therefore, in order to produce a metal fiber three-dimensional network structure excellent in conductivity and thermal conductivity, it is desirable that the joints between the fibers are sufficiently secured and that the area of the joints is small. .
From the above, in this embodiment, the circularity C of the cross section of the
次に、本実施形態である銅多孔質体10の製造方法について、図4のフロー図及び図5の工程図等を参照して説明する。
まず、図5に示すように、上述した銅繊維11を、散布機31から黒鉛製容器32内に向けて散布して嵩充填し、銅繊維11を積層する(銅繊維積層工程S01)。
ここで、この銅繊維積層工程S01では、充填後の嵩密度DPが銅繊維11の真密度DTの40%以下となるように複数の銅繊維11を積層配置する。なお、本実施形態では、銅繊維11にねじり加工や曲げ加工等の形状付与加工が施されているので、積層時に銅繊維11同士の間に立体的かつ等方的な空隙が確保されることになる。
Next, the manufacturing method of the copper
First, as shown in FIG. 5, the
Here, in the copper fibers laminating step S01, a bulk density D P after filling is stacked a plurality of
次に、黒鉛製容器32内に嵩充填された銅繊維11を、雰囲気加熱炉33に装入し、還元雰囲気、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気において加熱して焼結する(焼結工程S02)。
本実施形態における焼結工程S02の加熱条件は、保持温度が500℃以上、1050℃以下、保持時間が5分以上、600分以下の範囲内とされている。
Next, the
The heating conditions of the sintering step S02 in the present embodiment are set such that the holding temperature is 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and the holding time is 5 minutes or longer and 600 minutes or shorter.
ここで、焼結工程S02における保持温度が500℃未満の場合には、焼結速度が遅く焼結が十分に進行しないおそれがある。一方、焼結工程S02における保持温度が1050℃を超える場合には、銅の融点近傍にまで加熱されることになり、導電性及び気孔率Pの低下がおこるおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、焼結工程S02における保持温度を500℃以上、1050℃以下に設定している。なお、銅繊維11の焼結を確実に行うためには、焼結工程S02における保持温度の下限を600℃以上、保持温度の上限を1000℃以下、とすることが好ましい。
Here, when the holding temperature in sintering process S02 is less than 500 degreeC, there exists a possibility that sintering rate may be slow and sintering may not fully advance. On the other hand, when the holding temperature in sintering process S02 exceeds 1050 degreeC, it will heat to the melting | fusing point vicinity of copper, and there exists a possibility that the electroconductivity and the porosity P may fall.
From the above, in this embodiment, the holding temperature in the sintering step S02 is set to 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower. In order to reliably sinter the
また、焼結工程S02における保持時間が5分未満の場合には、焼結速度が遅く焼結が十分に進行しないおそれがある。一方、焼結工程S02における保持時間が600分を超える場合には、焼結による熱収縮が大きくなるとともに気孔率Pが低下するおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、焼結工程S02における保持時間を5分以上、600分以下の範囲内に設定している。なお、銅繊維11の焼結を確実に行うためには、焼結工程S02における保持時間の下限を10分以上、保持時間の上限を180分以下とすることが好ましい。
In addition, when the holding time in the sintering step S02 is less than 5 minutes, the sintering speed is slow and the sintering may not proceed sufficiently. On the other hand, if the holding time in the sintering step S02 exceeds 600 minutes, the thermal shrinkage due to the sintering may increase and the porosity P may decrease.
From the above, in this embodiment, the holding time in the sintering step S02 is set in the range of 5 minutes or more and 600 minutes or less. In order to reliably sinter the
さらに、焼結工程S02における雰囲気は、水素ガス、RXガス、アンモニア分解ガス、窒素−水素混合ガス、アルゴン−水素混合ガス等の還元性ガスを用いてもよいし、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを用いても良い。さらに、100Pa以下の真空雰囲気としてもよい。 Further, the atmosphere in the sintering step S02 may be a reducing gas such as hydrogen gas, RX gas, ammonia decomposition gas, nitrogen-hydrogen mixed gas, argon-hydrogen mixed gas, or nitrogen gas, argon gas, etc. An inert gas may be used. Furthermore, it is good also as a vacuum atmosphere of 100 Pa or less.
この焼結工程S02により、銅繊維11同士の接触部分で焼結が進行し、銅繊維11同士が結合されて骨格部12が形成される。
ここで、本実施形態では、上述のように焼結工程S02を加圧することなく還元性雰囲気、不活性雰囲気及び真空雰囲気で実施しているので、銅繊維11のバルク形状や表面形状が大きく変化することはなく、焼結前後において断面の円形度Cは殆ど変化しない。
By this sintering step S02, the sintering proceeds at the contact portion between the
Here, in this embodiment, since the sintering step S02 is performed in a reducing atmosphere, an inert atmosphere, and a vacuum atmosphere without applying pressure as described above, the bulk shape and the surface shape of the
以上のような構成とされた本実施形態である銅多孔質体10によれば、直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上、200以下の範囲内とされた銅繊維11が焼結されることで骨格部12が形成されているので、銅繊維11同士の間に十分な空隙が確保されるとともに、焼結時における収縮率を抑えることができ、気孔率Pが高く、かつ寸法精度に優れている。
According to the copper
そして、本実施形態では、骨格部12を形成する銅繊維11の断面の円形度Cが0.92以上とされているので、銅繊維11同士の接触点数が十分に確保され、焼結後の導電性及び熱伝導性を向上させることが可能となるとともに、銅繊維11同士の間に空隙を確保することができ、気孔率Pを高くすることが可能となる。
よって、本実施形態によれば、気孔率Pが50%以上90%以下の範囲内と高く、かつ、優れた導電性及び熱伝導性を有する銅多孔質体10を提供することが可能となる。
And in this embodiment, since the circularity C of the cross section of the
Therefore, according to this embodiment, it is possible to provide the copper
(第二の実施形態)
次に、本発明の第二の実施形態である銅多孔質複合部材100について、添付した図面を参照して説明する。
図6に、本実施形態である銅多孔質複合部材100を示す。この銅多孔質複合部材100は、銅又は銅合金からなる銅板120(部材本体)と、この銅板120の表面に接合された銅多孔質体110と、を備えている。
(Second embodiment)
Next, the copper porous
In FIG. 6, the copper porous
ここで、本実施形態に係る銅多孔質体110は、第一の実施形態と同様に、複数の銅繊維が焼結されて骨格部が形成されたものである。そして、本実施形態に係る銅多孔質体110においては、気孔率Pが50%以上90%以下の範囲内とされている。
Here, the copper
ここで、骨格部を形成する銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上、200以下の範囲内とされている。本実施形態では、銅繊維は、例えばC1020(無酸素銅)で構成されている。
そして、骨格部を形成する銅繊維は、長さ方向に直交する断面の円形度Cが0.92以上の範囲とされている。
なお、本実施形態では、銅繊維には、ねじりや曲げ等の形状付与が施されている。また、本実施形態である銅多孔質体110においては、その見掛け密度比DAが銅繊維の真密度DTの50%以下とされている。
Here, the copper fiber forming the skeleton is made of copper or a copper alloy, the diameter R is in the range of 0.01 mm to 1.0 mm, and the ratio L / R of the length L to the diameter R is L / R. The range is 4 or more and 200 or less. In the present embodiment, the copper fiber is made of, for example, C1020 (oxygen-free copper).
And the copper fiber which forms a frame | skeleton part is made into the range whose circularity C of the cross section orthogonal to a length direction is 0.92 or more.
In the present embodiment, the copper fiber is given a shape such as twisting or bending. Further, in the copper
次に、本実施形態である銅多孔質複合部材100を製造する方法について、図7のフロー図を参照して説明する。
まず、部材本体である銅板120を準備する(銅板配置工程S100)。次に、この銅板120の表面に銅繊維を分散させて積層配置する(銅繊維積層工程S101)。ここで、この銅繊維積層工程S101では、嵩密度DPが銅繊維の真密度DTの40%以下となるように複数の銅繊維を積層配置する。
Next, a method for manufacturing the copper porous
First, the
次に、銅板120の表面に積層配置された銅繊維同士を焼結して銅多孔質体110を成形するとともに銅多孔質体110と銅板120とを結合する(焼結及び接合工程S102)。
本実施形態における焼結及び接合工程S102の加熱条件は、保持温度が500℃以上、1050℃以下、保持時間が5分以上、600分以下の範囲内とされている。
さらに、焼結及び接合工程S102における雰囲気は、還元性雰囲気、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気とされており、具体的には、水素ガス、RXガス、アンモニア分解ガス、窒素−水素混合ガス、アルゴン−水素混合ガス等の還元性ガスを用いてもよいし、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを用いてもよい。さらに、100Pa以下の真空雰囲気としてもよい。
Next, the copper fibers stacked and arranged on the surface of the
The heating conditions of the sintering and joining step S102 in the present embodiment are set such that the holding temperature is 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and the holding time is 5 minutes or longer and 600 minutes or shorter.
Furthermore, the atmosphere in the sintering and joining step S102 is a reducing atmosphere, an inert gas atmosphere, or a vacuum atmosphere, and specifically, hydrogen gas, RX gas, ammonia decomposition gas, nitrogen-hydrogen mixed gas, argon -A reducing gas such as a hydrogen mixed gas may be used, or an inert gas such as nitrogen gas or argon gas may be used. Furthermore, it is good also as a vacuum atmosphere of 100 Pa or less.
この焼結及び接合工程S102により、銅繊維同士が焼結して銅多孔質体110が形成されるとともに、銅繊維と銅板120が焼結されて、銅多孔質体110と銅板120とが接合され、本実施形態である銅多孔質複合部材100が製造される。
By this sintering and joining step S102, the copper fibers are sintered to form the copper
以上のような構成とされた本実施形態である銅多孔質複合部材100によれば、銅多孔質体110を構成する銅繊維の断面の円形度Cが0.92以上の範囲とされているので、銅繊維同士の接触点数が十分に確保され、導電性及び熱伝導性を向上させることが可能となるとともに、銅繊維同士の間に空隙を確保することができ、銅多孔質体110の気孔率Pを高くすることが可能となる。
その結果、銅多孔質複合部材100を蒸発器などの熱交換部材に用いた場合の熱交換効率や保水性、蒸発効率等の各種特性を大幅に向上させることが可能となる。
According to the copper porous
As a result, it is possible to greatly improve various characteristics such as heat exchange efficiency, water retention and evaporation efficiency when the copper porous
また、本実施形態である銅多孔質複合部材100の製造方法によれば、銅及び銅合金からなる銅板120の表面に銅繊維を積層配置し、焼結及び接合工程S102によって焼結と接合を同時に実施しているので、製造プロセスを簡略化することが可能となる。
Moreover, according to the manufacturing method of the copper porous
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、図5に示す製造設備を用いて、銅多孔質体を製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造設備を用いて銅多孔質体を製造してもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, although it demonstrated as what manufactures a copper porous body using the manufacturing equipment shown in FIG. 5, it is not limited to this, Even if it manufactures a copper porous body using another manufacturing equipment Good.
また、本実施形態においては、無酸素銅(JIS C1020)からなる銅繊維を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、りん脱酸銅(JIS C1201、C1220)やタフピッチ銅(JIS C1100)などの純銅、Cr銅(C18200)やCr−Zr銅(C18150)などの高導電性の銅合金を用いてもよい。 In the present embodiment, the copper fiber made of oxygen-free copper (JIS C1020) has been described. However, the present invention is not limited to this. Phosphorus deoxidized copper (JIS C1201, C1220) or tough pitch copper ( Highly conductive copper alloys such as pure copper such as JIS C1100), Cr copper (C18200) and Cr—Zr copper (C18150) may be used.
さらに、第二の実施形態では、銅多孔質体と部材本体の接合部に焼結層が形成されている接合方法を望ましい方法として例示したが、これに限定されることはなく、各種溶接法(レーザー溶接法、抵抗溶接法)や低温で溶融するロウ材を用いたロウ付け法による接合方法によって、銅多孔質体と部材本体を接合してもよい。
また、第二の実施形態では、図6に示す構造の銅多孔質複合部材を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、図8から図15に示すような構造の銅多孔質複合部材であってもよい。
Furthermore, in 2nd embodiment, although the joining method in which the sintered layer was formed in the junction part of a copper porous body and a member main body was illustrated as a desirable method, it is not limited to this, Various welding methods The copper porous body and the member main body may be joined by a joining method using a laser welding method or a resistance welding method or a brazing method using a brazing material that melts at a low temperature.
In the second embodiment, the copper porous composite member having the structure shown in FIG. 6 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the copper having the structure shown in FIGS. It may be a porous composite member.
例えば、図8に示すように、銅多孔質体210の中に、部材本体として複数の銅管220が挿入された構造の銅多孔質複合部材200であってもよい。
あるいは、図9に示すように、銅多孔質体310の中に、部材本体としてU字状に湾曲された銅管320が挿入された構造の銅多孔質複合部材300であってもよい。
For example, as shown in FIG. 8, a copper porous
Alternatively, as shown in FIG. 9, a copper porous
さらに、図10に示すように、部材本体である銅管420の内周面に銅多孔質体410を接合した構造の銅多孔質複合部材400であってもよい。
また、図11に示すように、部材本体である銅管520の外周面に銅多孔質体510を接合した構造の銅多孔質複合部材500であってもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 10, the copper porous
Moreover, as shown in FIG. 11, the copper porous
さらに、図12に示すように、部材本体である銅管620の内周面及び外周面に銅多孔質体610を接合した構造の銅多孔質複合部材600であってもよい。
また、図13に示すように、部材本体である銅板720の両面に銅多孔質体710を接合した構造の銅多孔質複合部材700であってもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 12, a copper porous
Moreover, as shown in FIG. 13, the copper porous
さらに、図14に示すように、部材本体である銅管820の内部に銅多孔質体810を接合した構造の銅多孔質複合部材800であってもよい。
また、図15に示すように、部材本体である扁平銅管920の内面に銅多孔質体910を接合した構造の銅多孔質複合部材900であってもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 14, a copper porous
Moreover, as shown in FIG. 15, the copper porous
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
表1に示す焼結原料(銅繊維)を用いて、上述の実施形態で示した製造方法により、幅30mm×長さ200mm×厚さ5mmの銅多孔質焼結体を製造した。なお、原料となる銅繊維の直径R、長さLと直径Rとの比L/R、円形度Cは、以下のように測定した。
また、得られた銅多孔質焼結体についても、骨格部を形成する銅繊維の断面の直径R、長さLと直径Rとの比L/R、円形度C、気孔率、気孔率規格化導電率について、以下のように評価した。評価結果を表2に示す。
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
A copper porous sintered body having a width of 30 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 5 mm was manufactured using the sintering raw material (copper fiber) shown in Table 1 by the manufacturing method described in the above embodiment. In addition, the diameter R of the copper fiber used as a raw material, the ratio L / R of the length L to the diameter R, and the circularity C were measured as follows.
In addition, for the obtained copper porous sintered body, the diameter R of the cross section of the copper fiber forming the skeleton part, the ratio L / R of the length L to the diameter R, the circularity C, the porosity, the porosity standard The electrical conductivity was evaluated as follows. The evaluation results are shown in Table 2.
(銅繊維の直径R)
焼結原料となる銅繊維、及び、銅多孔質焼結体から取り出した銅繊維の長さ方向に直交する断面を光学顕微鏡で観察し、撮影された画像を用いて画像処理によって算出された円換算径(Heywood径)R=(A/π)0.5×2の単純平均値を算出した。これを銅繊維の直径Rとした。
(Copper fiber diameter R)
A circle calculated by image processing using a photographed image by observing a cross section orthogonal to the length direction of the copper fiber taken out of the sintered raw material and the copper fiber taken from the copper porous sintered body with an optical microscope A simple average value of converted diameter (Heywood diameter) R = (A / π) 0.5 × 2 was calculated. This was designated as the diameter R of the copper fiber.
(長さLと直径Rとの比L/R)
銅繊維の長さLは、焼結原料となる銅繊維、及び、銅多孔質焼結体から取り出した銅繊維に対してマルバーン社製粒子解析装置「Morphologi G3」を用いて画像解析し、算出された単純平均値を用いた。これを用いて、長さLと直径Rとの比L/Rを算出した。
(L / R ratio between length L and diameter R)
The length L of the copper fiber is calculated by performing image analysis on the copper fiber used as a sintering raw material and the copper fiber taken out of the copper porous sintered body using a particle analyzer “Morphology G3” manufactured by Malvern. A simple average value was used. Using this, the ratio L / R between the length L and the diameter R was calculated.
(断面の円形度C)
焼結原料となる銅繊維、及び、銅多孔質焼結体から取り出した銅繊維の長さ方向に直交する断面を光学顕微鏡で観察し、撮影された画像を用いて画像処理によって算出された断面積A(mm2)、及び周長Q(mm)の単純平均値を用いて、以下の式で算出した。
円形度C=(4πA)0.5/Q
(Circularity C of cross section)
Sections perpendicular to the length direction of the copper fibers taken out of the sintered raw material and the copper porous sintered body were observed with an optical microscope, and were calculated by image processing using the photographed images. It calculated with the following formula | equation using the area A (mm < 2 >) and the simple average value of perimeter length Q (mm).
Circularity C = (4πA) 0.5 / Q
(気孔率P)
精密天秤を用いて水中法により真密度DT(g/cm3)を測定し、以下の式で気孔率Pを算出した。なお、銅多孔質焼結体の質量をm(g)、銅多孔質焼結体の体積をV(cm3)とした。
気孔率P(%)=(1−(m/(V×DT)))×100
(Porosity P)
The true density D T (g / cm 3 ) was measured by an underwater method using a precision balance, and the porosity P was calculated by the following equation. The mass of the copper porous sintered body was m (g), and the volume of the copper porous sintered body was V (cm 3 ).
Porosity P (%) = (1− (m / (V × D T ))) × 100
(気孔率規格化導電率)
幅30mm×長さ200mm×厚さ5mmの板状に切り出したサンプルを用いて、JIS C 2525に準拠し、日置電機社製マイクロオームハイテスター3227を用いて、電圧端子間隔150mm、測定電流0.5Aの条件にて4端子法により導電率σP(%IACS)を測定した。そして、以下の式により、気孔率規格化導電率σNを算出した。
気孔率規格化導電率σN(%IACS)=σP×(1/DA)
(Porosity normalized conductivity)
Using a sample cut into a plate shape having a width of 30 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 5 mm, a voltage ohmic tester 3227 manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. was used in accordance with JIS C 2525. The conductivity σ P (% IACS) was measured by the four-terminal method under the condition of 5A. And the porosity normalized electrical conductivity (sigma) N was computed with the following formula | equation.
Porosity normalized conductivity σ N (% IACS) = σ P × (1 / D A )
本発明例1−12、比較例1−6のいずれにおいても、焼結原料となる銅繊維と、銅多孔質焼結体から取り出された銅繊維とで、直径R、長さLと直径Rとの比L/R、断面の円形度Cについて、大きく変化していないことが確認された。 In any of Invention Example 1-12 and Comparative Example 1-6, the copper fiber as the sintering raw material and the copper fiber taken out from the copper porous sintered body had a diameter R, a length L and a diameter R. It was confirmed that the ratio L / R and the circularity C of the cross section did not change greatly.
ここで、銅繊維の直径Rが0.005mmとされた比較例1及び銅繊維の直径Rが1.20mmとされた比較例2においては、銅多孔質焼結体の気孔率規格化導電率が低くなっていることが確認される。
また、銅繊維の長さLと直径Rとの比L/Rが3とされた比較例3においては、気孔率Pが47%と低くなった。
さらに、銅繊維の長さLと直径Rとの比L/Rが250とされた比較例4においては、気孔率規格化導電率が低くなっている。これは、部分的に空隙が大きな箇所が存在し、内部の伝導パスの均一性が大幅に低下したためと推測される。
Here, in Comparative Example 1 in which the diameter R of the copper fiber was 0.005 mm and in Comparative Example 2 in which the diameter R of the copper fiber was 1.20 mm, the porosity normalized conductivity of the copper porous sintered body Is confirmed to be low.
Further, in Comparative Example 3 in which the ratio L / R between the length L and the diameter R of the copper fiber was 3, the porosity P was as low as 47%.
Furthermore, in Comparative Example 4 in which the ratio L / R between the length L and the diameter R of the copper fiber is 250, the porosity normalized conductivity is low. This is presumed to be due to the presence of a portion having a large gap in part, and the uniformity of the internal conduction path was greatly reduced.
銅繊維の断面の円形度Cが0.80とされた比較例5及び円形度Cが0.53とされた比較例6においては、気孔率規格化導電率が低くなった。これは銅繊維同士の接触点が少なくなったためと推測される。 In Comparative Example 5 in which the circularity C of the cross section of the copper fiber was 0.80 and in Comparative Example 6 in which the circularity C was 0.53, the porosity normalized conductivity was low. This is presumably because the number of contact points between the copper fibers has decreased.
これに対して、本発明例の銅多孔質焼結体においては、気孔率が50%以上と高く、かつ、気孔率規格化導電率も十分に確保されていた。なお、本発明例の銅多孔質焼結体においては、電気伝導と同じく自由電子をキャリアとする熱伝導率においても優れていることになる。
以上のことから、本発明によれば、高い気孔率を有するとともに十分な導電性及び熱伝導性を有する高品質の銅多孔質焼結体を提供可能であることが確認された。
On the other hand, in the copper porous sintered body of the present invention example, the porosity was as high as 50% or more, and the porosity normalized conductivity was sufficiently ensured. In addition, in the copper porous sintered body of the example of this invention, it is excellent also in the heat conductivity which uses a free electron as a carrier similarly to electrical conduction.
From the above, according to the present invention, it was confirmed that a high-quality copper porous sintered body having a high porosity and sufficient conductivity and thermal conductivity can be provided.
10、110 銅多孔質体
11 銅繊維
12 骨格部
100 銅多孔質複合部材
120 銅板(部材本体)
10, 110 Copper
Claims (6)
前記骨格部を形成する銅繊維は、銅又は銅合金からなり、直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされるとともに、長さ方向に直交する断面の円形度が0.92以上とされており、
気孔率が50%以上90%以下の範囲内とされていることを特徴とする銅多孔質体。 A copper porous body comprising a sintered body of a plurality of copper fibers and having a three-dimensional network structure skeleton,
The copper fiber forming the skeleton is made of copper or a copper alloy, the diameter R is in the range of 0.01 mm or more and 1.0 mm or less, and the ratio L / R of the length L to the diameter R is 4 or more. The circularity of the cross section orthogonal to the length direction is 0.92 or more while being within a range of 200 or less,
A porous copper body having a porosity of 50% or more and 90% or less.
前記銅多孔質体が請求項1に記載の銅多孔質体であることを特徴とする銅多孔質複合部材。 A copper porous composite member comprising a joined body of a member main body and a copper porous body having a three-dimensional network structure skeleton,
The said copper porous body is a copper porous body of Claim 1, The copper porous composite member characterized by the above-mentioned.
直径Rが0.01mm以上、1.0mm以下の範囲内とされ、長さLと直径Rとの比L/Rが4以上200以下の範囲内とされるとともに、その断面の円形度が0.92以上とされた前記銅繊維を積層する銅繊維積層工程と、
積層された複数の前記銅繊維同士を焼結する焼結工程と、を備えていることを特徴とする銅多孔質体の製造方法。 A method for producing a porous copper body comprising a sintered body of a plurality of copper fibers and having a three-dimensional network structure skeleton,
The diameter R is in the range of 0.01 mm or more and 1.0 mm or less, the ratio L / R of the length L to the diameter R is in the range of 4 or more and 200 or less, and the circularity of the cross section is 0. A copper fiber laminating step of laminating the copper fibers of 92 or more;
And a sintering step of sintering a plurality of the laminated copper fibers. A method for producing a copper porous body, comprising:
請求項1に記載の銅多孔質体と、前記部材本体とを接合する接合工程を備えていることを特徴とする銅多孔質複合部材の製造方法。 A method for producing a copper porous composite member comprising a joined body of a member main body and a copper porous body having a three-dimensional network structure skeleton,
The manufacturing method of the copper porous composite member characterized by including the joining process which joins the copper porous body of Claim 1, and the said member main body.
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- 2018-05-09 WO PCT/JP2018/017941 patent/WO2018212039A1/en active Application Filing
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WO2018212039A1 (en) | 2018-11-22 |
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