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多孔陶瓷论文终稿汇总
Sic-Al2O3多孔陶瓷的制备及性能研究
摘要II
AbstractIII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2多孔陶瓷的研究现状1
1.3多孔陶瓷的制备工艺2
1.3.1添加造孔剂工艺2
1.3.2颗粒堆积工艺3
1.3.3有机泡沫浸渍工艺3
1.3.4溶胶-凝胶工艺3
1.3.5木制陶瓷工艺4
1.4多孔陶瓷的应用4
1.4.1概述5
1.4.2应用5
1.5研究的意义及内容5
1.5.1研究的意义5
1.5.2研究内容5
第二章实验部分6
2.1引言6
2.2原料的选取6
2.2.1实验原料6
2.2.2粘接剂的选择6
2.3试样的制备6
2.3.1工艺流程6
2.3.2样品配方7
2.3.3实验设备7
2.3.4冷压成型7
2.3.5烧结9
2.4分析检测手段10
2.4.1试样孔隙率的测定10
2.4.2试样线收缩率的的测定12
2.4.3抗折强度的测定13
第三章实验数据分析14
3.1氧化铝多孔陶瓷烧结机制14
3.2弯曲强度分析15
3.3对试样孔隙率的分析15
3.4对试样线收缩率的分析16
结论18
参考文献19
摘要
本文以325目氧化铝粉末（颗粒度44μm）为主加原料，颗粒度为亚微米（0.3μm）碳化硅粉末作添加剂，按照颗粒堆积原理制备多孔陶瓷材料，使用磷酸二氢铝作为粘接剂，提高原料的可塑性。
在108KN（300MPa）的压力下将粉末状原料模压成多孔陶瓷胚体，胚体为60mm×6mm×5.5mm条状试样，试样中碳化硅的添加量分别为5%、10%、15%，粘接剂的含量为6%。
将试样在600℃、800℃、1000℃三个温度下固相烧结，在每个温度点保温一小时后随炉冷却，测试试样的抗折强度、孔隙率及线收缩率，分析研究不同烧结温度和碳化硅的添加量对多孔陶瓷的力学性能及微观结构的影响。
实验数据表明：
随温度逐渐升高，碳化硅添加量的增多，试样的抗折强度逐渐升高，当温度为1000℃，碳化硅添加量为15%时，试样的抗折强度高达48MPa。
在三个温度下，试样的线收缩率整体变化不大，添加剂含量为5%，在600℃烧结后，线收缩仅为13%。
孔隙率一方面随着温度的升高而下降，另一方面却随添加剂的含量的增加呈上升趋势。
关键词：
多孔陶瓷；颗粒堆积；强度；孔隙率；线收缩率
Abstract
Inthispaper,325meshaluminapowder（particlesize44μm）ofmajorrawmaterials,theparticlesizeofsubmicron（0.3μm）siliconcarbidepowderasadditive,inaccordancewiththeprincipleofparticleaccumulationofpreparingporousceramicmaterial,theuseoftwohydrogenaluminumphosphateasbinder,improvetheplasticityofrawmaterials.Inthe108KN（300MPa）underthepressureofthepowderedmaterialmoldedintoaporousceramicbody,theembryois60mm×6mm×5.5mmbarspecimen,addingamountofsiliconcarbideinthesample5%,10%,15%respectively,theadhesivecomponentsofthesampleaccountedfor6%.Thesampleofsolidphaseat600℃,800℃,1000℃threesinteringtemperature,holdinganhourateachtemperaturepointafterfurnacecooling,testspecimenflexuralstrength,porosityandshrinkage,impactanalysisofthemechanicalpropertiesandmicrostructureofdifferentsinteringtemperatureandaddingamountofporousceramicsofsiliconcarbide.
Theexperimentaldatashowthat:
withtheincreaseoftemperature,siliconcarbidecontentincreasing,theflexuralstrengthofsamplesincreasedgradually,whenthetemperatureis1000℃,siliconcarbideadditionis15%,theflexuralstrengthofsamplesupto48MPa.Atthethreetemperatures,thefirstcontractionratechangedlittleoverall,additivecontent5%,sinteredat600℃,lineshrinkageisonly6%.Theporosityanddecreasewiththeincreaseoftemperature,ontheotherhand,withthecontentoftheadditivesincreased.
Keywords:
porousceramic;particlepacking;strength;porosity;linearshrinkagerate
第一章绪论
1.1引言
多孔陶瓷是粉末原料经成形工艺在高温作用下硬化而制成的，是多晶体、多相（以气孔为主相）的聚集体[1]。
多孔陶瓷具有耐高温、耐磨损、抗化学腐蚀性能优良、硬度高、比表面面积大、热传导率低等多种优异性能，已广泛应用与各工业部门及近30年迅速发展起来的化工、空间技术、医疗、能源、环保等众多领域，可作为生物陶瓷及催化剂载体、敏感材料、隔热、吸声、分离、过滤等，多孔陶瓷的使用量日益增大，适用范围在不断扩展，同时随着科学技术的发展也对陶瓷材料提出了更多更新的要求，使得多孔陶瓷的科研日益活跃。
无论从产业角度还是从科研角度来看，对多孔陶瓷的研究都将是一个十分引人瞩目的课题。
而无论是从比表面的控制情况还是从成本高低、生产是否方便以及化学热稳定性和化学稳定性方面考虑，氧化铝多孔陶瓷的性能都是各种多孔陶瓷中较好的。
氧化铝碳化硅陶瓷按照其成品的孔径大小可分类为宏孔陶瓷、介孔陶瓷和微孔陶瓷三类[2]；除此之外还可以根据孔径之间的关系分为开气孔（孔径与外部空气连接）和闭气孔（孔径在基体内部）两类。
其中氧化铝多陶瓷以氧化铝为主加原料，粉体原料经一系列的成型工艺后在一定的温度下固相烧结，试样宏观表现为表面粉体氧化脱落，围观表现为在组织内部形成各种微孔，有点是开口气孔，还有一些是闭气孔。
这样氧化铝多孔陶瓷就同时具备了两种优良性能:
（1）氧化铝多孔陶瓷具有较低的热传导率，其本身还具备良好的机械性热，如化学稳定性和化学热稳定性，耐腐蚀，耐磨损，抗高温，使其在石油化工，热表仪器、电子电器方面有大量的应用。
（2）由于具有较高的孔隙率，使其对气体和液体介质有良好的过滤性，可大量应用与污水处理膜的制备材料。
1.2多孔陶瓷的研究现状
多孔陶瓷作为一种应用广泛的功能材料，其多样性取决于多孔陶瓷本身的特殊结构[3]。
碳化硅材料的特点就是硬度大，高达9.5莫氏硬度、导热性能好、高温高强度，高温抗氧化性能好等。
是很好的工程材料和结构材料，除作为磨料外，还用作高温耐火材料、电热材料以及电动机的制备等，多孔陶瓷在航天材料方面，特别是透波材料方面，多孔陶瓷也有较多应用，因为其有良好的介电性能，不仅使介电损耗大大降低，而且介电常数也有很好的优化，此外透波材料在高温下由于介电子的逸出发生极化现象，使表面的电损耗最终导致雷达信号大大衰减，而在常温下易吸附空气中的水分，发生潮解使材料的结介稳定性受到影响，但是在选材时，如果采用闭孔陶瓷材料就可以避免以上缺陷[4]。
因此，目前航天透波材料在选材时对多孔陶瓷闭气孔结构的研究比较广泛，研究比较深入。
目前对多孔陶瓷的研究比较集中在碳化硅、氧化铝、氧化镁等多孔陶瓷方面，其中氮化硅陶瓷因具有硬度大，高温抗氧化性能较好、导热性好、耐磨等优良性能而被广泛关注和研究热点。
上世纪70年代，美国率先研制多孔陶瓷成功。
如今多孔陶瓷的制备技术装备不断更新，生产日趋标准化和系列化，已经形成了一个庞大的产品链条。
对于多孔陶瓷的研究，我国始于上世纪八十年代[6]。
然而多孔陶瓷最重要最异与其它陶瓷的特征就是其多孔性，怎样形成多孔结构是制备多孔陶瓷的难点，近几年针对不同的性能要求和不同的使用目的，工业生产中已经开发了许多不同的生产制备技术。
但是，多孔陶瓷材料的能否得到广泛应用还取决于怎样降低陶瓷材料的脆性，如何实现陶瓷材料的大规模生产，完善对陶瓷微观组织的分析与数据统计。
目前应用比较成功的陶瓷生产工艺有：
添加造孔剂工艺、颗粒堆积工艺、有机泡沫浸渍工艺、溶胶—凝胶工艺、木材陶瓷工艺等[7]。
1.3多孔陶瓷的制备工艺
1.3.1添加造孔剂工艺
在制备多孔陶瓷的主加原料中，添加一种或几种造孔剂如目前应用添加较多的淀粉，活性炭等造孔剂，造孔剂在试样中占据一定的空间，在高温烧结时，造孔剂融化成液态最后气化成气体离开基体，由于造孔剂的离开，基体中会残留大量的气孔。
虽然在传统的的陶瓷工艺中，人们普遍采用调整烧结时间和温度的方法，来有效控制烧结后陶瓷的抗折强度和气孔率以及体积密度。
一方面，但随着烧结温度的提高及保温时间过长，虽然可以提高多孔陶瓷的抗折强度，但是多孔陶瓷的孔隙率又会下降，另一方面，如果烧结温度过低，制品的强度则会很低无法使用，因此传统工艺无法兼顾抗折强度和气孔率，但是如果氧化物可以加入一些元素如氧化物，也可以在他们的晶格阳离子，氧化物陶瓷通常是将合成的原料粉末通过烧结而制成。
原料粉末是将矿物原料经酸碱或酸碱溶解后，用沉淀法制取沉淀物再煅烧得到的。
各种陶瓷成形方法原则上都可以形成多孔陶瓷。
杨建峰等[8]通过添加少量活性碳粉制备出高孔隙、低收缩氮化硅多孔陶瓷，吴建峰等[9]利用添加磷酸三钙的方法制得了多孔磷酸三钙生物陶瓷，薛友祥等[10]以木炭为造孔剂制得饮用水净化用性能微孔陶瓷滤芯。
造孔剂的种类、用量的选择以及合适大小的粒径是添加造孔剂工艺制备多孔陶瓷的关键。
添加造孔剂的主要是其可以明显促使多孔材料气孔率的提高，这样一来造孔剂应该满足下列条件:
首先不能与基体反应，再者排除后在基体中无有害残留物，最后在加热过程中易于排除。
目前造孔剂的造孔原理各不相同，种类繁多。
从材料分类的角度，造孔剂可分为有机物和无机物两大类。
其中无机造孔剂是通过特定温度下无机物的分解产生大量气体，在冷却后保留下来成为气孔，如易挥发性无机物碳酸氢铵、碳酸铵、氯化铵等。
一些熔点较高的如硫酸钠、硫酸钙、氯化钠等造孔剂可溶于水、酸或碱溶液的无机盐，它们待基体烧结后，用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而保留下来成为气孔[11];煤粉、活性碳粉、天然淀粉、高分子聚合物以及一些天然纤维是典型的有机造孔剂，它们在磨具压制成型的过程中自身占有一定尺寸的空间，在随后的烧结高温条件下氧化（燃烧）排除基体形成气孔。
龚森蔚等[12]以聚甲基丙烯酸作为造孔剂，成功制备了孔径可控羟基磷灰石父相陶瓷，利用浆料浸渍的方法来获得气孔呈单向排列的多孔陶瓷，采用棉花纤维作为造孔剂，弯曲强度高达143MPa，其开口气孔率达31%。
添加造孔剂工艺主要包括捆料、压制成形、干燥以及烧结4个工艺步骤。
用该工艺制备的多孔陶瓷制品气孔孔径微小，一般的气孔尺寸可控制在1μm~10mm之间，而且具有高达50%左右的孔隙率，该工艺的制品用于催化剂载体材料、过滤器等。
其缺点是抗折强度比较低，气孔分布不均匀，线收缩率较高。
1.3.2颗粒堆积工艺
在主加原料中加入一些微细颗粒或者加入与主加原料组分相同的颗粒，利用微细颗粒在高温作用下易于液化被主加原料分散吸收，将大颗粒的骨料连接起来。
在一定程度上，骨料粒径大小与孔径的大小成正比，骨料粒径越大，形成的多孔陶瓷平均孔径就越大，呈线性相关。
研究还发现，骨料颗粒尺寸分布均匀，产生的气孔分布也会变得越均匀。
除此之外，烧结温度，添加剂的种类及含量的比例，还有骨料本身颗粒的细度对多孔陶瓷的孔隙率和抗折强度的影响，即多孔陶瓷微观性能。
下面介绍化学沉积法和气氛加压烧结法制备β-Si3N4，化学沉积法是利用气相反应方法使β-Si3N4沉积在某种基材上，气氛加压法是利用防止β-Si3N4的高温分解而采用加大痰气压力的方法，通常用十几个兆帕的痰气在高温下快速烧结得到相当致密的β-Si3N4制品，该法要求炉子气密性好，且经得起高压。
β-Si3N4有为数不多的同质异晶体，目前已知的β-Si3N4多晶体有上百种，其导热性能优良，高温强度大，高温抗氧化性能较好。
孙宏伟等[13]是采用添加不同剂种类的添加剂，控制添加剂的含量以及添加剂的颗粒大小，然后用固态烧结法制得了孔径分布狭窄、孔隙率为45%、平均孔径为0.35μm的c-Al2O3陶瓷膜管。
1.3.3有机泡沫浸渍工艺
1963年，Schwartzwalder等[14]发现了分布比较均匀的多孔陶瓷，后来把这种制备多孔陶瓷的工艺称做有机泡沫浸渍工艺。
浆料涂覆在有机泡沫上的厚度以及有机泡沫的尺寸在某种程度上都可以决定多孔陶瓷的尺寸和形状。
此种制备方法不仅方便高效，而且使得多孔陶瓷具有开孔三维网状骨架结构。
利用无包套热等静压工艺强化孔隙壁并采用聚氨酯泡沫塑料浸泡法，张勇等[15]成功制备氮化硅泡沫陶瓷。
冯胜山等[16]则采用聚氨酯泡沫塑料浸泡法制备了莫来石泡沫陶瓷。
王连星[17]以羟基磷灰石粉、生物玻璃粉为浆料，以硅胶作为溶剂和粘结剂，以羧甲基纤维素作流变剂，聚氨酯海绵作载体制备了孔径约为450~500μm、孔径均匀、孔隙连通的多孔羟基磷灰石生物活性复相陶瓷。
有机泡沫浸渍工艺成本低，操作简单，开口气孔较高，约为65%~80%所得制品的孔径大小一般在100μm~5mm，且气孔相互贯通，强度高，可用于隔热保温材料、金属熔体过滤器等。
其缺点是不仅形状受限制，而且无法制造小孔径闭口气孔制品，不易控制其体积密度。
所得制品的孔径大小一般在100μm~5mm，且气孔相互贯通，强度高，可用于隔热保温材料、金属熔体过滤器等。
其缺点是不仅形状受限制，而且无法制造小孔径闭口气孔制品，不易控制其体积密度。
1.3.4溶胶-凝胶工艺
溶胶-凝胶法制备多孔陶瓷是目前研究比较多的领域之一，此法主要用来制备微孔陶瓷材料。
这种方法一般利用溶胶在凝胶化过程中，胶体粒子之间相互吸附后形成一定的空间结构，溶液充满了网状空隙，经过加热保温冷却后，这些溶液将被高温蒸发，排除基体，残留下一个个空洞，这些小空洞有开气孔也有闭气孔，其尺寸大多为纳米级或者微米级[18]。
在溶胶-凝胶中，通过调节容易的酸碱度可以控制气孔的比表面面积和气孔尺寸等，这是其他的制备方法无法得到的效果。
还有用一些材料做先驱体，比如各种醇盐以及无机盐，先驱体经过水解后得到溶胶，再在多孔载体上凝结成无机聚合物凝胶膜。
孔径纳米级、气孔分布均匀的多孔陶瓷薄膜都可以通过溶胶-凝胶工艺制备得到，各种复合膜也可以方便的得到这是其最大的优越性。
因此溶胶-凝胶法在无机分离膜制备领域工艺中已开始了广泛研究域，引起了国内外众多研究人员的重视。
奚红霞等[19]采用so-gel技术，以异丙醇铝为原料制备出了无缺陷、无针孔、稳定性好的β-Al2O3中孔膜，其孔径最小可达7nm。
国外用so-gel法分别以硅酸钠硅胶和硅胶为SiO2源制备出两种陶瓷薄膜ZSM-5和ZSM-11，并用SEM、IR、XRD、表征其主要的微观结构，研究发现提高烧结温度不仅会导致生成物尺寸增大，而且SiO2颗粒大小也会对最终产物的性能产生极其重要的影响而且浸提的形态也会大大改变。
另外，日本的京都大学在制备氧化硅是发现，通过改变溶胶-凝胶的组分可以获得极细的透明氧化硅可用于制备各种光盘，而大孔的氧化硅则可以用作催化剂和过滤器。
1.3.5木制陶瓷工艺
将木材进行转化然后再进行陶瓷处理获得多孔陶瓷的方法是近几年开发出来的新技术。
用该方法之前应充分准备多种具有典型代表新的木材材料，用小刀将其分成一个个小的木块，制备好浸泡这些木材的溶液，有些研究者利用腐蚀性溶液如氢氧化钠溶液将处理好的小木片进行浸泡，浸泡一段时间后进行挂桨，经过一段时间干燥后置于箱式电阻炉中烧结。
还有些研究者将木材在保护性气氛下进行碳化处理，从而获得碳预成形体，然后再通过高温处理后获得多孔陶瓷。
可是受起始木质材料结构和性能的控制，这种方法获得的多孔陶瓷孔径尺寸和气孔率都很有限，而且成型后胚体的多孔形态呈高度异性。
Sieber.H等[20]借助天然松木的转化，采用化学蒸汽渗透反应（CVI-R）工艺制得了生物形态的SiC陶瓷。
在800℃将条状试样进行高温分解，制备出生物碳质构架。
将其转化成碳化硅陶瓷多孔陶瓷。
谢贤清等[21]用真空压力浸渍工艺，以多孔碳预成形体为骨架，成功制备了多孔陶瓷。
1.4多孔陶瓷的应用
1.4.1概述
多孔陶瓷按其孔隙结构孔方式和成孔方式不同可分为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷和微孔陶瓷三类。
它们的应用也不尽相同。
其中，蜂窝陶瓷因具备重量轻、隔热性好、比表面积大、耐腐蚀性优良、较低的热膨胀性被广泛用作催化剂材料。
泡沫陶瓷具有三维网络骨架、高孔隙率、低容重的工业陶瓷。
在汽车尾气的处理中，泡沫陶瓷有出去尾气中黑色颗粒，净化空气的效果，是一种环保产品，不仅这样由于其具有比较大的比表面积，当流体通过时压力损失较小，因此也被用作热交换元件。
作为一种应用前景广阔，性能优良的的新型材料，微孔陶瓷在生物、、食品、矿山、机械、冶金、环保、化工、石油、医药等领域作为催化剂载体、敏感材料及隔膜、生物陶瓷、吸音、分离、过滤等。
由于多孔陶瓷的多孔特性，它可以用于油类的分离、水的净化处理以及过滤酸碱溶液。
1.4.2应用
多孔陶瓷具有诸多的优良性能被广泛用作敏感元件、热工材料、吸音材料、催化剂载体、过滤器材料、电解隔膜材料、燃料电池材料以及保温隔热材料。
1.5研究的意义及内容
1.5.1研究的意义
多孔陶瓷在化工、节能、环保等领域的应用己带来了巨大的社会效益和经济效益[22]。
目前由于工业污水的排放，大量重金属元素，酸碱性液体直接排放不仅污染了生态环境，而且严重影响人体健康，通过合理科学的途径回收将废液中的有害物质排除而且合理回收有效的成分重新利用一越来越受到人们的重视与关注。
由于多孔陶瓷具有过滤效率高，过滤面积大的特点，因此在过滤净化技术中，多孔陶瓷作为一种新型高效过滤器，日益得到了人们的重视[23]。
但仍需解决很多实际问题：
首先就是如何合理调整孔隙率和抗折强度之间的关系，怎样选材可以降低工业成本，对影响多孔陶瓷的孔径分布、孔径结构的因素进行精确控制。
1.5.2研究内容
本论文的要研究的方向及内容
（1）多孔Al2O3陶瓷的制备工艺的研究：
研究烧结工艺参数（不同烧结温度）对多孔Al2O3陶瓷结构组织的影响。
（2）研究SiC颗粒的含量对多孔Al2O3陶瓷气孔率的影响。
（3）测试多孔多孔Al2O3陶瓷的力学性能（抗折强度）：
了解烧结试样的气孔率及组织对力学性能的影响。
第二章实验部分
2.1引言
在多孔陶瓷的制备过程中如果烧结温度过高，保温时间太长多孔陶瓷的孔隙率太低，温度过低，试样的强度又无法满是使用条件[[24]。
因此怎样兼顾抗折强度和孔隙率是制备多孔陶瓷的关键和难点。
本实验而采用添加微细颗粒的方法探究添加超细颗粒后多孔陶瓷的孔隙率与抗折强度的关系[25]。
本实验以氧化铝为主加原料，亚微米（0.3μm）碳化硅为添加剂按照颗粒堆积工艺制备多孔陶瓷。
使用磷酸二氢铝作为粘结剂。
测试分析不同温度、碳化硅颗粒大小、碳化硅含量对多孔陶瓷的力学性能及微观结构的影响。
2.2原料的选取
2.2.1实验原料
本实验选择325目氧化铝，粉体粒度为44μm。
碳化硅颗粒大小为0.3μm。
电熔白刚玉:
生产于贵州省贵阳市,规格:
325目,25Kg/袋，性状：
灰白色粉末。
用于制备氧化铝陶瓷纤维、氧化铝陶瓷基复合材料和氧化铝陶瓷粉体等材料。
2.2.2粘接剂的选择
本实验使用磷酸二氢铝作粘接剂，在通常情况下出于试验成本，取样方便，经常用磷酸二氢铝作为首选的粘接剂，它具有较好的粘接能力及塑性变形能力[26]。
2.3试样的制备
2.3.1工艺流程
2.3.2样品配方
表2-1实验配方
0.3μmSiC的含量/g
Al2O3的质量/g
SiC的质量/g
磷酸二氢铝的质量/g
5%
89
5
6
10
84
10
6
15
79
15
6
20
74
20
6
2.3.3实验设备
电子天平：
用于称量原料。
由福州志华科技仪器有限公司生产，其型号为HZT-A200；额定量程为3100g，额定最小量程为0.01g；检定标尺分度值为e=0.1mm；实际标尺分度值为d=0.01mm；烧杯，玻璃棒，研磨，勺，称量纸。
电热鼓风恒温干燥箱：
用于烘干各种玻璃器皿和压制成型多孔陶瓷样品。
由上海光地仪器有限设备有限公司制造；其型号为101-4；工作温度：
室温至300℃；电压：
220V；功率：
9KW；容积为80*80*100（cm3）;鼓风机功率为：
40KW
试验室箱式炉：
用于多孔陶瓷的排塑和烧结试验。
由南京桂林炉业有限公司制造；型号为SX2-12-16；电压：
380V；相数：
3相；功率：
12KW+10%；额定温度：
1600℃，常用1550℃；均匀性：
±10%；炉膛尺寸：
250*150*100mm：
重300Kg；采用电炉微机控制柜控制温度，全自动升/降温度；其工作电压为220V，加热区为1区，电流为42A，控制电压为：
0~95V,功率为12KW；质量150Kg.电子万能试验机：
规格型号：
CMT5305；出厂编号：
10709033。
电子数显卡尺：
规格是0~150mm，用于测量制备多孔陶瓷烧结前后形状的变化。
本实验采用人工手动混料，在混料时一定要将粉末原料混合均匀，这样可以提高成型后胚体孔隙的分布均匀。
本实验采用PL3002电子天平称量试样，先称量Al2O3置于陶瓷研钵中，再称量SiC，最后加粘接剂磷酸二氢铝，手工研磨约30分钟，混料后烘干备用。
2.3.4模压成型
为了使配制好的陶瓷原料具有一定可塑性，一般采加水或其它成型助剂（粘合剂）的方法，然后通过某种方法使其成为原料具有一定形状的坯体的工艺过程叫做成型[27]。
为了得到高质量的陶瓷制品，必须要保证坯体致密均匀。
常用的成型方法有：
料浆浇注成型法、注射成型法、等静压成型法、挤压成型法、模压成型法等[28]。
本实验采用模压成型法，其原理
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