KR101583916B1 - 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법이 소개된다.
본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법은, 산화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 기지를 갖는 세라믹으로 나노카본을 코팅하는 과정; 상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본과 금속분말을 혼합하여 상기 금속분말이 상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본을 에워싸는 복합분말을 제조하는 과정; 상기 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하는 과정; 및 주조과정;을 포함하고, 상기 나노카본은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법은, 산화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 기지를 갖는 세라믹으로 나노카본을 코팅하는 과정; 상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본과 금속분말을 혼합하여 상기 금속분말이 상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본을 에워싸는 복합분말을 제조하는 과정; 상기 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하는 과정; 및 주조과정;을 포함하고, 상기 나노카본은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 나노카본과 액상 알루미늄 사이의 반응을 억제하면서도 알루미늄 내 나노카본의 분산성을 개선한 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 탄소로 이루어진 수에서 수십 nm 의 직경을 가지는 튜브 형태의 나노소재이다.
탄소나노튜브는 높은 강도, 및 높은 탄성계수 등 우수한 기계적 특성을 가지며, 또한 낮은 밀도, 및 높은 장대비 등의 우수한 특성이 추가로 밝혀짐에 따라, 탄소나노튜브를 고분자 및 금속 기지(matrix) 복합소재의 강화재와 같은 구조용 소재분야에 활용하려는 연구가 진행되고 있다.
탄소나노튜브/금속 나노복합소재의 제조에 있어, 주로 탄소나노튜브와 금속 분말을 혼합하여 탄소나노튜브/금속 복합분말을 제조하고, 이를 소결하는 분말야금 공정이 주로 이용되고 있으며, 탄소나노튜브를 금속 분말과 볼 밀링 등의 공정으로 혼합한 후 소결하는 방법으로 수행되고 있다.
그러나 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 사이에 작용하는 반 데르 발스 힘(Van der Waals force)에 의해 강하게 응집되어 있어 금속 기지 재료에 균일하게 분산시키기 매우 어려운 특성이 있으며, 탄소나노튜브와 금속 기지 사이의 밀도 차이 또한 탄소나노튜브의 분산을 어렵게 하는 문제가 있다.
또한 이렇게 응집된 탄소나노튜브는 소결을 방해하여 밀도를 감소시키고, 복합재료의 특성을 저하시킨다. 또한, 탄소나노튜브를 티타늄 등의 금속 분말과 혼합하여 소결하면 탄화티타늄(TiC) 등의 탄화물을 형성하여 본래의 탄소나노튜브에 의한 우수한 강화효과를 기대할 수 없는 문제점이 있다.
특히 주조 공정을 통하여 탄소나노튜브와 같은 나노카본 강화 알루미늄 복합재를 제조하는 경우, 나노카본과 액상이 알루미늄이 반응하여 탄화물이 생성되는 것을 방지하여야 하는바, 종래 나노카본을 금속 또는 세라믹으로 코팅하는 방법을 통하여 이를 해결하고자 했지만, 금속 코팅층이 알루미늄과 반응하여 나노카본이 손상되는 것은 물론, 세라믹 코팅층이 알루미늄에 대하여 젖음성이 낮기 때문에 분산성이 낮다는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
탄소나노튜브는 높은 강도, 및 높은 탄성계수 등 우수한 기계적 특성을 가지며, 또한 낮은 밀도, 및 높은 장대비 등의 우수한 특성이 추가로 밝혀짐에 따라, 탄소나노튜브를 고분자 및 금속 기지(matrix) 복합소재의 강화재와 같은 구조용 소재분야에 활용하려는 연구가 진행되고 있다.
탄소나노튜브/금속 나노복합소재의 제조에 있어, 주로 탄소나노튜브와 금속 분말을 혼합하여 탄소나노튜브/금속 복합분말을 제조하고, 이를 소결하는 분말야금 공정이 주로 이용되고 있으며, 탄소나노튜브를 금속 분말과 볼 밀링 등의 공정으로 혼합한 후 소결하는 방법으로 수행되고 있다.
그러나 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 사이에 작용하는 반 데르 발스 힘(Van der Waals force)에 의해 강하게 응집되어 있어 금속 기지 재료에 균일하게 분산시키기 매우 어려운 특성이 있으며, 탄소나노튜브와 금속 기지 사이의 밀도 차이 또한 탄소나노튜브의 분산을 어렵게 하는 문제가 있다.
또한 이렇게 응집된 탄소나노튜브는 소결을 방해하여 밀도를 감소시키고, 복합재료의 특성을 저하시킨다. 또한, 탄소나노튜브를 티타늄 등의 금속 분말과 혼합하여 소결하면 탄화티타늄(TiC) 등의 탄화물을 형성하여 본래의 탄소나노튜브에 의한 우수한 강화효과를 기대할 수 없는 문제점이 있다.
특히 주조 공정을 통하여 탄소나노튜브와 같은 나노카본 강화 알루미늄 복합재를 제조하는 경우, 나노카본과 액상이 알루미늄이 반응하여 탄화물이 생성되는 것을 방지하여야 하는바, 종래 나노카본을 금속 또는 세라믹으로 코팅하는 방법을 통하여 이를 해결하고자 했지만, 금속 코팅층이 알루미늄과 반응하여 나노카본이 손상되는 것은 물론, 세라믹 코팅층이 알루미늄에 대하여 젖음성이 낮기 때문에 분산성이 낮다는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 나노카본과 액상 알루미늄 사이의 반응을 억제하면서 알루미늄 내에서 나노카본의 분산성을 개선한 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법은, 산화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 기지를 갖는 세라믹으로 나노카본을 코팅하는 과정; 상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본과 금속분말을 혼합하여 상기 금속분말이 상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본을 에워싸는 복합분말을 제조하는 과정; 상기 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하는 과정; 및 주조과정;을 포함하고, 상기 나노카본은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속분말은 알루미늄 또는 상기 알루미늄에 합금화되거나 상기 알루미늄과 반응하여 금속간 화합물을 형성하는 금속인 것을 특징으로 한다.
상기 금속분말이 세라믹 코팅된 나노카본을 에워쌀 수 있도록 상기 세라믹 코팅된 나노카본과 상기 금속분말을 볼 밀링(ball milling)하여 혼합하는 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노카본 강화 알루미늄 복합재는 산화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 기지를 갖는 세라믹으로 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 나노카본을 코팅하고, 상기 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말이 에워싼 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하고 주조하여 제조된 것을 특징으로 한다.
상기 금속분말은 알루미늄 또는 상기 알루미늄에 합금화되거나 상기 알루미늄과 반응하여 금속간 화합물을 형성하는 금속인 것을 특징으로 한다.
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이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노카본 강화 알루미늄 복합재는 산화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 기지를 갖는 세라믹으로 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 나노카본을 코팅하고, 상기 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말이 에워싼 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하고 주조하여 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 나노카본과 액상 알루미늄 사이의 반응을 억제, 알루미늄 내 나노카본의 분산성이 개선되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법의 주요 과정을 나타낸 도면,
도 2는 탄소나노튜브를 TiO2로 코팅한 상태를 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재를 나타낸 사진,
도 4는 비교재 1을 나타낸 사진,
도 5는 볼 밀링에 의해 제조된 TiO2 코팅 탄소나노튜브-알루미늄 복합분말을 나타낸 사진,
도 6은 Al2O3로 코팅된 그래핀을 나타낸 사진이다.
도 2는 탄소나노튜브를 TiO2로 코팅한 상태를 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재를 나타낸 사진,
도 4는 비교재 1을 나타낸 사진,
도 5는 볼 밀링에 의해 제조된 TiO2 코팅 탄소나노튜브-알루미늄 복합분말을 나타낸 사진,
도 6은 Al2O3로 코팅된 그래핀을 나타낸 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법은 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말이 에워싼 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하여 주조하는 것을 특징으로 한다.
즉, 나노카본에 코팅된 세라믹이 액상의 알루미늄과 나노카본 사이의 반응을 방지하고, 금속분말이 액상의 알루미늄의 젖음성(wettability)을 향상시켜 나노카본의 알루미늄 용탕 내 열적 안정성과 분산성을 동시에 향상시킨 것이다.
나노카본은 전기전도도, 열전도도가 매우 높고 뛰어난 기계적 물성을 나타내어 기존의 금속 소재에 결합하여 전기, 전자제품, 자동차 분야 등에서 고성능화, 경량화, 소형화를 구현하는데 크게 기여할 수 있는바, 본 발명에서는 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말로 균일하게 에워싼 후 용탕에 넣고 주조함으로써 상술한 이점을 구현하였다.
이러한 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법은 나노카본을 세라믹으로 코팅하는 과정, 금속분말이 세라믹 코팅된 나노카본을 에워쌀 수 있도록 세라믹 코팅된 나노카본과 금속분말을 혼합하여 복합분말을 제조하는 과정, 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하는 과정, 주조과정으로 구체화될 수 있다.
나노카본은 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF), 그래핀(graphene) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하고, 세라믹 기지는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는바, 예를 들어 구리, 니켈 등을 금속입자를 코팅한 후 산소 분위기에서 열처리함으로써 나노카본 주위를 금속분말로 코팅할 수 있다.
구리, 니켈 이외에 금속분말로 금, 은, 백금, 티타늄, 아연, 망간, 갈륨 등을 사용할 수 있으며, 세라믹 코팅층의 두께는 10nm 내지 1㎛ 사이에서 조절할 수 있다. 또한 세라믹 코팅은 무전해 도금법, 스퍼터링법, 증착법 또는 화학기상증착법 등 다양한 방법을 이용하여 진행될 수 있다.
나노카본 카본 주위에 세라믹 코팅되는 기지는 나노카본 주위에 균일하게 분포될 수 있도록 코팅되는 것이 바람직하며, 이렇게 균일하게 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말을 이용하여 균일하게 에워싸아 복합분말을 제조한다.
세라믹 코팅된 나노카본 주변을 금속분말이 에워싼 형태의 복합분말은 알루미늄 용탕에 혼합된 후 주조과정을 통해 최종 복합재료로 제조된다.
금속분말은 알루미늄에 합금화되거나, 알루미늄과 반응하여 금속간 화합물을 형성할 수 있는 금속인 것이 바람직하며, 세라믹 코팅된 나노카본과 금속분말은 볼 밀링(ball milling)하여 혼합하는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법의 일 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법은 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말이 에워싼 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하여 주조하는 것을 특징으로 한다.
즉, 나노카본에 코팅된 세라믹이 액상의 알루미늄과 나노카본 사이의 반응을 방지하고, 금속분말이 액상의 알루미늄의 젖음성(wettability)을 향상시켜 나노카본의 알루미늄 용탕 내 열적 안정성과 분산성을 동시에 향상시킨 것이다.
나노카본은 전기전도도, 열전도도가 매우 높고 뛰어난 기계적 물성을 나타내어 기존의 금속 소재에 결합하여 전기, 전자제품, 자동차 분야 등에서 고성능화, 경량화, 소형화를 구현하는데 크게 기여할 수 있는바, 본 발명에서는 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말로 균일하게 에워싼 후 용탕에 넣고 주조함으로써 상술한 이점을 구현하였다.
이러한 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법은 나노카본을 세라믹으로 코팅하는 과정, 금속분말이 세라믹 코팅된 나노카본을 에워쌀 수 있도록 세라믹 코팅된 나노카본과 금속분말을 혼합하여 복합분말을 제조하는 과정, 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하는 과정, 주조과정으로 구체화될 수 있다.
나노카본은 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF), 그래핀(graphene) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하고, 세라믹 기지는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는바, 예를 들어 구리, 니켈 등을 금속입자를 코팅한 후 산소 분위기에서 열처리함으로써 나노카본 주위를 금속분말로 코팅할 수 있다.
구리, 니켈 이외에 금속분말로 금, 은, 백금, 티타늄, 아연, 망간, 갈륨 등을 사용할 수 있으며, 세라믹 코팅층의 두께는 10nm 내지 1㎛ 사이에서 조절할 수 있다. 또한 세라믹 코팅은 무전해 도금법, 스퍼터링법, 증착법 또는 화학기상증착법 등 다양한 방법을 이용하여 진행될 수 있다.
나노카본 카본 주위에 세라믹 코팅되는 기지는 나노카본 주위에 균일하게 분포될 수 있도록 코팅되는 것이 바람직하며, 이렇게 균일하게 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말을 이용하여 균일하게 에워싸아 복합분말을 제조한다.
세라믹 코팅된 나노카본 주변을 금속분말이 에워싼 형태의 복합분말은 알루미늄 용탕에 혼합된 후 주조과정을 통해 최종 복합재료로 제조된다.
금속분말은 알루미늄에 합금화되거나, 알루미늄과 반응하여 금속간 화합물을 형성할 수 있는 금속인 것이 바람직하며, 세라믹 코팅된 나노카본과 금속분말은 볼 밀링(ball milling)하여 혼합하는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법의 일 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재를 제조하기 위하여, 졸-겔 법을 이용, 탄소나노튜브(CNT)를 TiO2로 코팅하였다.(도 2참조)
TiO2로 코팅된 탄소나노튜브 40g과 알루미늄 분말 160g을 아래의 조건으로 볼 밀링하여 혼합함으로써, 탄소나노튜브가 알루미늄 분말 내에 박혀 있는 형상의 복합분말을 제조하였다.(도 5참조)
볼 종류 - ZrO2
볼 크기 - 5mm
볼 대 분말 무게비 - 10 : 1
밀링 속도 - 600rpm
밀링 시간 - 2시간
제조된 혼합분말 200g을 750℃ 온도에서 800g의 알루미늄 용탕에 투입하고 기계적으로 교반하여 주조공정을 이용, 나노카본 강화 알루미늄 복합재를 제조하였다. 실시예 1에 따른 복합재에서는 나노카본이 응집된 모습을 찾아볼 수 없었다.(도 3참조)
TiO2로 코팅된 탄소나노튜브 40g과 알루미늄 분말 160g을 아래의 조건으로 볼 밀링하여 혼합함으로써, 탄소나노튜브가 알루미늄 분말 내에 박혀 있는 형상의 복합분말을 제조하였다.(도 5참조)
볼 종류 - ZrO2
볼 크기 - 5mm
볼 대 분말 무게비 - 10 : 1
밀링 속도 - 600rpm
밀링 시간 - 2시간
제조된 혼합분말 200g을 750℃ 온도에서 800g의 알루미늄 용탕에 투입하고 기계적으로 교반하여 주조공정을 이용, 나노카본 강화 알루미늄 복합재를 제조하였다. 실시예 1에 따른 복합재에서는 나노카본이 응집된 모습을 찾아볼 수 없었다.(도 3참조)
그래핀을 졸-겔 법을 이용하여 Al2O3로 코팅한 후 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 나노카본이 응집된 모습을 찾아볼 수 없었다.
[비교예 1]
TiO2로 코팅된 탄소나노튜브를 실시예 1과 같은 조건에서 알루미늄 용탕에 투입하여 복합재를 제조하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, TiO2로 코팅된 탄소나노튜브와 알루미늄과의 젖음성이 낮아 기계적 교반으로는 탄소나노튜브가 알루미늄 용탕에 분산되지 않고, 응집된 모습으로 관찰되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법에 따르면 세라믹 코팅된 나노카본을 혼합하여 복합분말을 제조함으로써, 나노카본과 액상 알루미늄 사이의 반응을 억제하면서 알루미늄 내 나노카본의 분산성을 개선할 수 있게 된다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 나노카본이 응집된 모습을 찾아볼 수 없었다.
[비교예 1]
TiO2로 코팅된 탄소나노튜브를 실시예 1과 같은 조건에서 알루미늄 용탕에 투입하여 복합재를 제조하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, TiO2로 코팅된 탄소나노튜브와 알루미늄과의 젖음성이 낮아 기계적 교반으로는 탄소나노튜브가 알루미늄 용탕에 분산되지 않고, 응집된 모습으로 관찰되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법에 따르면 세라믹 코팅된 나노카본을 혼합하여 복합분말을 제조함으로써, 나노카본과 액상 알루미늄 사이의 반응을 억제하면서 알루미늄 내 나노카본의 분산성을 개선할 수 있게 된다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Claims (6)
- 산화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 기지를 갖는 세라믹으로 나노카본을 코팅하는 과정;
상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본과 금속분말을 혼합하여 상기 금속분말이 상기 세라믹으로 코팅된 상기 나노카본을 에워싸는 복합분말을 제조하는 과정;
상기 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하는 과정; 및
주조과정;을 포함하고,
상기 나노카본은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속분말은 알루미늄 또는 상기 알루미늄에 합금화되거나 상기 알루미늄과 반응하여 금속간 화합물을 형성하는 금속인 것을 특징으로 하는, 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속분말이 세라믹 코팅된 나노카본을 에워쌀 수 있도록 상기 세라믹 코팅된 나노카본과 상기 금속분말을 볼 밀링(ball milling)하여 혼합하는 것을 특징으로 하는, 나노카본 강화 알루미늄 복합재 제조방법.
- 산화물, 질화물, 붕화물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 기지를 갖는 세라믹으로 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 나노카본을 코팅하고, 상기 세라믹 코팅된 나노카본 주위를 금속분말이 에워싼 복합분말을 알루미늄 용탕에 첨가하고 주조하여 제조된, 나노카본 강화 알루미늄 복합재.
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