CN109988395B - 环氧树脂-玻璃纤维预浸料、树脂纤维复合材料、其制备方法及航空飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环氧树脂‑玻璃纤维预浸料、树脂纤维复合材料、其制备方法及航空飞行器。该环氧树脂‑玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量为45~60wt%。本申请所改进的环氧树脂‑玻璃纤维预浸料含有较高含量的环氧树脂。通过提高环氧树脂含量,能够增加玻璃纤维和环氧树脂之间的浸润面积,减少了复合材料中残存的空气含量,降低了所制备的复合材料的孔隙率,进而提高了复合材料的抗击穿强度,即提高了复合材料的绝缘性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域,具体而言,涉及一种环氧树脂-玻璃纤维预浸料、树脂纤维复合材料、其制备方法及航空飞行器。
背景技术
目前提高复合材料绝缘性能的方法有改变环氧树脂固化剂的类型和配比,通过对树脂基体的改性来提高复合材料的绝缘性能。
由于需要对树脂体系进行改性,研发周期较长、成本高昂,导致复合材料的应用受到很大的限制。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种环氧树脂-玻璃纤维预浸料、树脂纤维复合材料、其制备方法及航空飞行器,以解决现有技术中的树脂纤维复合材料绝缘性能差的问题。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种环氧树脂-玻璃纤维预浸料,该环氧树脂-玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量为45~60wt%。
为了实现上述目的,根据本发明的第二个方面,提供了一种树脂纤维复合材料,该树脂纤维复合材料包括环氧树脂-玻璃纤维固化膜层,其中,环氧树脂-玻璃纤维固化膜层中环氧树脂的含量为45~60wt%。
根据本发明的第三个方面,提供了一种上述树脂纤维复合材料的制备方法,该制备方法包括:设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层;在环氧树脂-玻璃纤维待固化层上设置排气隔离层,形成待固化体;以及对待固化体进行固化,得到树脂纤维复合材料。
进一步地,设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤包括:采用环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料制作环氧树脂-玻璃纤维待固化层。
进一步地,设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤包括:将环氧树脂含量为30~40wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料与环氧树脂胶膜层叠设置,得到环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层,其中,环氧树脂胶膜层中的环氧树脂与环氧树脂-玻璃纤维预浸料中的环氧树脂种类相同。
进一步地,每2~4层环氧树脂-玻璃纤维预浸料与一层环氧树脂胶膜层叠设置。
进一步地,环氧树脂胶膜层设置为3~7层。
进一步地,每层环氧树脂胶膜层的厚度各自独立地为0.1±0.01mm。
进一步地,在环氧树脂-玻璃纤维待固化层上铺贴排气隔离层,形成待固化体的步骤包括:在环氧树脂-玻璃纤维待固化层上依次铺贴脱模布、隔离膜以及透气毡,形成待固化体。
根据本发明的第四个方面,提供了一种航空飞行器,包括树脂纤维复合材料,树脂纤维复合材料为上述树脂纤维复合材料或上述任一种制备方法所制备的树脂纤维复合材料。
应用本发明的技术方案,与现有常用的含量在30~40wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料相比,本申请所改进的环氧树脂-玻璃纤维预浸料含有较高含量的环氧树脂。通过提高环氧树脂含量,能够增加玻璃纤维和环氧树脂之间的浸润面积,减少了复合材料中残存的空气含量,降低了所制备的复合材料的孔隙率,进而提高了复合材料的抗击穿强度,即提高了复合材料的绝缘性能。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
预浸料:用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物,制成树脂基体与增强体的组合物,是制造复合材料的中间材料。
预浸料的分类:
1)按照树脂基体的不同,预浸料分成热固性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料。
2)按增强材料的不同,预浸料分成碳纤维(织物)预浸料、玻璃纤维(织物)预浸料及芳纶(织物)预浸料。
3)按固化温度的不同,分为中温固化(120℃)预浸料、高温固化(120℃)预浸料及固化温度超过200℃的预浸料。
常用规格的预浸料,按照单位面积纤维含量有:C020、C030、C050、C075、C100、C125、C150、C175、C200等,按照树脂含量分为25%、33%、37%及40%等。
如背景技术所提到的,现有的树脂纤维复合材料存在绝缘性能较差的缺陷,而已有的改进复合材料绝缘性能的方案均是通过对树脂进行改性的思路来实现的,但这种改进方案存在研发周期长且成本高的缺陷。因而,为了改进绝缘性能差的缺陷,本申请从与现有技术完全不同的思路提出新的解决方案。在本申请一种典型的实施方式中,提供了一种环氧树脂-玻璃纤维预浸料,该环氧树脂-玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量为45~60wt%。
与现有常用的含量在30~40wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料相比,本申请所改进的环氧树脂-玻璃纤维预浸料含有较高含量的环氧树脂。通过提高环氧树脂含量,能够增加玻璃纤维和环氧树脂之间的浸润面积,减少了空气存在的概率,降低所制备的复合材料的孔隙率,进而提高了复合材料的抗击穿强度,即提高了复合材料的绝缘性能。
在本申请第二种典型的实施方式中,还提供了一种树脂纤维复合材料,该树脂纤维复合材料包括环氧树脂-玻璃纤维固化膜层,其中,环氧树脂-玻璃纤维固化膜层中环氧树脂的含量为45~60wt%。
本申请所改进的树脂纤维复合材料,由于环氧树脂-玻璃纤维固化膜层中环氧树脂的含量为45~60wt%,相比现有的环氧树脂-玻璃纤维固化膜层中环氧树脂的含量(在30~40wt%)高,因而,能够在固化过程中环氧树脂的流动阶段增加玻璃纤维和环氧树脂之间的浸润效果,降低复合材料制件内部的空气残存,降低复合材料的孔隙率,使得复合材料的绝缘性能增强,抗击穿强度提高。
在本申请第三种典型的实施方式中,还提供了一种树脂纤维复合材料的制备方法,该制备方法包括:设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层;在环氧树脂-玻璃纤维待固化层上铺贴排气隔离层,形成待固化体;对待固化体进行固化,得到树脂纤维复合材料。
本申请的树脂纤维复合材料的制备方法,通过设置环氧树脂含量提高的环氧树脂-玻璃纤维待固化层,提高了预固化体中的树脂含量,增加了环氧树脂在固化过程中的流动性,进而增加玻璃纤维和环氧树脂之间的浸润效果,降低复合材料制件内部的空气残存,降低复合材料的孔隙率,使得复合材料的绝缘性能增强,抗击穿强度提高。
上述制备方法中,设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤并无特殊限定,只要所形成的待固化层中环氧树脂的含量在45~60wt%的范围内即可。在本申请一种优选的实施例中,设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤直接采用环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料制作环氧树脂-玻璃纤维待固化层。
该优选实施例中,直接将现有环氧树脂-玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量提高至45~60wt%,形成高环氧树脂含量的预浸料。这种待固化层在固化过程中,不仅环氧树脂的流动均一性更好,使所得复合材料的孔隙率更低,致密性更高,具有更优良的绝缘性能和抗击穿强度,而且整个制备工艺操作也相对简便。
在本申请另一种优选的实施例中,设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤包括:将环氧树脂含量为30~40wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料与环氧树脂胶膜层叠设置,得到环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层,其中,环氧树脂胶膜层中的环氧树脂与环氧树脂-玻璃纤维预浸料中的环氧树脂种类相同。
上述优选的实施例中,通过将树脂含量为30~40wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料铺贴层与环氧树脂胶膜层层叠设置,且环氧树脂胶膜层中的环氧树脂的种类与预浸料中的环氧树脂的种类相同,同样增加了环氧树脂在固化过程中的流动性,进而增加玻璃纤维和环氧树脂之间的浸润效果,降低复合材料制件内部的空气残存,降低复合材料的孔隙率,使得复合材料的绝缘性能增强,抗击穿强度提高。
具体地,上述30~40wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料铺贴层与环氧树脂胶膜层的层叠设置的具体设置方式并无特殊限定,只要使得最终获得的待固化层中环氧树脂的含量在45~60wt%范围内即可。
在本申请一种优选的实施例中,每2~4层环氧树脂-玻璃纤维预浸料与一层环氧树脂胶膜层叠设置。这种设置方式有助于提高环氧树脂对玻璃纤维的浸润效果。
在本申请另一种优选的实施例中,上述环氧树脂胶膜层设置3~7层;更优选,每层环氧树脂胶膜层的厚度为0.1±0.01mm。
将树脂胶膜层设置为3~7层,不仅工艺上容易实施,而且使得玻璃纤维在环氧树脂中的浸润效果更好。而将每层环氧树脂胶膜层的厚度设置在0.1mm左右,有助于使环氧树脂胶膜在固化过程中更容易浸润相邻的预浸料层中的玻璃纤维,从而使得玻璃纤维的浸润效果更好。
在本申请另一种优选的实施例中,在环氧树脂-玻璃纤维待固化层上铺贴排气隔离层,形成待固化体的步骤包括:在环氧树脂-玻璃纤维待固化层上依次铺贴脱模布、隔离膜以及透气毡,形成待固化体。
上述树脂纤维复合材料的制备方法中,排气隔离层为制备过程中的辅助膜层,是在固化过程中起到排气的作用。排气隔离层的具体材料为常规复合材料的排气隔离层,各层具体使用的材料可根据实际需要进行合理选择。在一种优选的实施例中,上述排气隔离层包括依次设置在环氧树脂-玻璃纤维待固化层上的脱模布层、隔离膜层以及透气毡层。在本申请另一种优选的实施例中,上述脱膜布为聚四氟乙烯脱模布,具有表面光滑不易与胶层粘合,更容易脱膜的效果。隔离膜的作用是隔离下层膜层与上层膜层接触,以防止破坏起保护作用的真空袋。优选采用无孔隔离膜,无孔隔离膜能够完全隔离下层膜层渗入上层,起到很好的保护作用。
根据本发明的第四个方面,提供了一种航空飞行器,包括树脂纤维复合材料,树脂纤维复合材料为上述树脂纤维复合材料或上述任一种制备方法所制备的树脂纤维复合材料。采用该树脂纤维复合材料制备而成的航空飞行器具有绝缘性能更优异的效果。
下面将结合具体的实施例来进一步说明本申请的有益效果。
实施例1
将含量为36wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴3层预浸料,铺贴一层厚度为0.1mm的环氧树脂胶膜,并制备真空袋,常温预压实15~30mins,一共铺贴3层胶膜,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,此样件的击穿电压可达到70KV/mm,与不增加胶膜的环氧树脂-石英纤维复合材料相比绝缘强度提高了40KV/mm。
实施例2
将含量为30wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴2层预浸料,铺贴一层厚度为0.09mm的环氧树脂胶膜,并制备真空袋,常温预压实15~30mins,一共铺贴7层胶膜,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,此样件的击穿电压可达到67KV/mm,与不增加胶膜的环氧树脂-石英纤维复合材料相比绝缘强度提高了30KV/mm。
实施例3
将含量为40wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴4层预浸料,铺贴一层厚度为0.11mm的环氧树脂胶膜,并制备真空袋,常温预压实15~30mins,一共铺贴2层胶膜,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,此样件的击穿电压可达到68KV/mm,与不增加胶膜的环氧树脂-石英纤维复合材料相比绝缘强度提高了41KV/mm。
实施例4
将含量为45wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴3层预浸料,制备真空袋,常温预压实15~30mins,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,测试结果显示,此样件的击穿电压可达到90KV/mm,较环氧树脂含量低(30~40%)的预浸料复合材料提高了60KV/mm。
实施例5
将含量为50wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴3层预浸料,制备真空袋,常温预压实15~30mins,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,此样件的击穿电压可达到100KV/mm,较环氧树脂含量低(30~40%)的预浸料复合材料提高了65KV/mm。
实施例6
将含量为55wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴3层预浸料,制备真空袋,常温预压实15~30mins,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,此样件的击穿电压可达到91KV/mm,较环氧树脂含量低(30~40%)的预浸料复合材料提高了60KV/mm。
实施例7
将含量为60wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴3层预浸料,制备真空袋,常温预压实15~30mins,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,此样件的击穿电压可达到90KV/mm,较环氧树脂含量低(30~40%)的预浸料复合材料提高了59KV/mm。
对比例1
将含量为70wt%的环氧树脂-石英纤维预浸料进行铺贴,铺贴过程中,每铺贴3层预浸料,制备真空袋,常温预压实15~30mins,形成环氧树脂-石英纤维待固化层;
然后在环氧树脂-石英纤维待固化层表面依次铺贴聚四氟乙烯脱模布、无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜,在常温下抽真空预压实30mins,形成待固化体;
将待固化体放入热压罐中,按照如下固化程序进行固化:从常温经0.5h加热至90℃,在该温度下固化1h,然后接着经0.5h升温至140℃,在该温度下固化4h,整个固化过程中保持热压罐中的压力为0.3Mpa。待固化完成后,以不大于2℃/min的降温速度降至60℃,然后打开热压罐,获得树脂纤维复合材料。
最后采用电压击穿试验仪,在垂直击穿电极作用下测定树脂纤维复合材料样件的击穿电压,确定绝缘强度。
测试结果显示,此样件的击穿电压可达到45KV/mm,与环氧树脂含量低(30~40%)的预浸料复合材料相比并无明显差别。
从以上的描述中,可以看出,本申请上述的实施例实现了如下技术效果:在不对原有环氧树脂进行改性的前提下,通过提高预浸料中环氧树脂含量,或者在形成环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤中提高环氧树脂的含量,能够增加玻璃纤维与玻璃纤维树脂之间的浸润面积,降低复合材料内部的空气残存量,降低复合材料的孔隙率,进而提高其击穿强度。本申请的方法所制备的复合材料的不仅绝缘性优异,而且大大缩减研发周期和开发成本,同时可以快速应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种树脂纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述树脂纤维复合材料包括环氧树脂-玻璃纤维固化膜层,其中,所述环氧树脂-玻璃纤维固化膜层中环氧树脂的含量为45~60wt%;所述环氧树脂为未改性的环氧树脂;所述制备方法包括:
设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层;
在所述环氧树脂-玻璃纤维待固化层上设置排气隔离层,形成待固化体;以及
对所述待固化体进行固化,得到所述树脂纤维复合材料;
当环氧树脂-玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量为45~60wt%时,设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤包括:
采用环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料制作所述环氧树脂-玻璃纤维待固化层;
当环氧树脂-玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量为30~40wt%时,设置环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层的步骤包括:
将环氧树脂含量为30~40wt%的环氧树脂-玻璃纤维预浸料与环氧树脂胶膜层叠设置,得到所述环氧树脂含量为45~60wt%的环氧树脂-玻璃纤维待固化层,其中,所述环氧树脂胶膜层中的环氧树脂与所述环氧树脂-玻璃纤维预浸料中的环氧树脂种类相同;
其中,当环氧树脂-玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量为45~60wt%时所制备得到的所述树脂纤维复合材料的击穿电压高于当环氧树脂-玻璃纤维预浸料中环氧树脂的含量为30~40wt%时所制备得到的所述树脂纤维复合材料的击穿电压。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,每2~4层所述环氧树脂-玻璃纤维预浸料与一层所述环氧树脂胶膜层叠设置。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述环氧树脂胶膜层设置为3~7层。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,每层所述环氧树脂胶膜层的厚度为0.1±0.01mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在所述环氧树脂-玻璃纤维待固化层上铺贴排气隔离层,形成待固化体的步骤包括:
在所述环氧树脂-玻璃纤维待固化层上依次铺贴脱模布、隔离膜以及透气毡,形成所述待固化体。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,
所述脱模 布为聚四氟乙烯脱模布,所述隔离膜为无孔隔离膜。
7.一种航空飞行器,包括树脂纤维复合材料,其特征在于,所述树脂纤维复合材料为权利要求1至6中任一项所述的制备方法所制备的树脂纤维复合材料。
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