JPH0352426B2 - - Google Patents
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- JPH0352426B2 JPH0352426B2 JP61081980A JP8198086A JPH0352426B2 JP H0352426 B2 JPH0352426 B2 JP H0352426B2 JP 61081980 A JP61081980 A JP 61081980A JP 8198086 A JP8198086 A JP 8198086A JP H0352426 B2 JPH0352426 B2 JP H0352426B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- composite
- pitches
- carbon
- carbonization
- molded body
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- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- Ceramic Products (AREA)
Description
産業上の利用分野
本発明は炭素繊維強化炭素材料の製造法に関す
るものである。 従来の技術 炭素繊維強化炭素材料(以下、C/Cコンポジ
ツトという)は炭素繊維を補強材とし、炭素をマ
トリツクスとした複合材料である。C/Cコンポ
ジツトは炭素繊維で強化されているために従来の
炭素材料にくらべ常温、高温での機械的特性にま
さり、また摩擦・制動特性、熱・電気伝導性、耐
蝕性などもすぐれていることから、ロケツトノズ
ル、航空機のブレーキデイスクなどの宇宙航空機
部材として欠かせない材料となつている。このよ
うに応用範囲の広いC/Cコンポジツトの製造法
としては現在大別して2つの系統がある。 その1つはポリアクリロニトリルやレーヨンや
ピツチ系繊維を炭化して得られる炭素繊維のト
ウ、クロス、フエルトなどを簡単に成形した後、
炉に入れて1000〜1500℃に加熱し、そこへ炭化水
素ガスを導入して分解炭化させ、炭素を炭素繊維
表面に沈着せしめてC/Cコンポジツトとする方
法である(以下この方法をCVD法と称する)。
CVD法は生産性が低く所定の密度を得るには多
大な時間を要し、また均一な気孔の少ない炭素材
料を得るにはかなり高度な技術を要する。 他の1つはポリアクリロニトリルやレーヨンや
ピツチ系繊維を炭化して得られる炭素繊維のト
ウ、クロス、フエルトなどに、フエノール樹脂等
の炭素材原料となる熱硬化性樹脂を含浸させたプ
リプレグを積層し、加圧加熱し硬化成形体とした
後、非酸化性雰囲気で炭化処理をし、必要ならば
含浸処理、炭化処理を繰り返しC/Cコンポジツ
トとする方法である。 以上大別した2つの系統以外に、マトリツクス
として、ピツチ類も考えられる。しかし、ピツチ
類は、一旦液状となつてから炭化する為に、炭素
繊維のトウ、クロス、フエルト等とピツチ類を積
層した成形体を炭化すると、脹れを生ずる。つま
り、繊維間が広がり大きな空孔を生じて密度が低
くなり、その為C/Cコンポジツト自体の強度も
弱くなる。 したがつて、現在では、ピツチ類は含浸用とし
て、使用されている場合が多い。 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、ピツチ類と炭素質粉末をマト
リツクスの構成原料として使用し、良好な特性を
示すC/Cコンポジツトを製造することにある。 問題点を解決するための手段 本発明の方法は、炭素繊維を含み、ピツチ類と
炭素質粉末をマトリツクスの構成原料とし、前記
のピツチ類と炭素質粉末の割合がピツチ類20〜95
重量%、炭素質粉末5〜80重量%である炭素材を
予め成形し、得られた成形体を金属、セラミツク
ス、黒鉛、C/Cコンポジツト等の板状体あるい
は型枠状等の固定材で固定することによつて脹れ
を抑えて炭化処理を施し、その後前記固定材を取
り外した後、常法により含浸処理、炭化処理、黒
鉛化処理を適宜施すことを特徴とするものであ
る。 作 用 次に本発明の内容をさらに詳細に説明する。 本発明に用いられる補強用の炭素繊維はポリア
クリロニトリル系、レーヨン系、ピツチ系のいず
れであつてもよく、また炭素質、黒鉛質のいずれ
であつてもよい。炭素繊維の形態は、長さ0.05〜
50mm程度の短繊維であつても、連続繊維であつて
も使用できる。またクロスやフエルト、マツトな
どシート状の形態であつてもよい。上記炭素繊維
は、マトリツクス中にそのままの状態で、または
解繊された状態で全くランダムな方向を向いてい
てもよいし、任意の特定の方向に向けて配列せし
められていてもよい。 また、マトリツクスとなる炭素材の原料は、含
浸ピツチ、バインダーピツチ等のピツチ類と、生
コークス、黒鉛粉末、カーボンブラツク等の炭素
質粉末を混合して使用する。好ましくは、ピツチ
と馴染がよく、炭化時の収縮率の近いピツチを炭
化し揮発分を調整した生コークスを使用する。ま
た、生コークスの揮発分は、炭化時にマトリツク
スが最もよく収縮するように、好ましくは3〜10
%とする。 かかる炭素繊維または炭素繊維の構造物と、前
記マトリツクスを積層もしくは混合したものを、
プレス成形等を行つて成形体とする。 前記成形材料において、炭素繊維または炭素繊
維構造物は20〜90重量%、好ましくは40〜80重量
%含有されていることが望ましい。 炭素繊維が20重量%未満では、得られるC/C
コンポジツトの補強繊維が少なすぎる為、強度が
低くなる。一方90重量%を越えた場合にはマトリ
ツクスの含有量が少なすぎる為、層間における剪
断強度が低下し、炭素繊維の補強効果が充分に発
揮されない。 また、マトリツクスを構成するピツチ類と炭素
質粉末の割合は、ピツチ類を20〜95重量%、炭素
質粉末を5〜80重量%とし揮発分率、粘度等を調
整する。 ピツチ類が少なく、20重量%未満では、粘度が
上がり成形が難しい。また、95重量%を越える
と、炭化時に粘度が下がつてマトリツクス材料の
流出が起こり層間強度が非常に弱くなる。より好
ましくは、ピツチ類を30〜70重量%含有させる。 前記成形体をそのまま炭化すると、ピツチ類が
液状になつた時点で熱分解による生成ガスが成形
体の脹れを引き起こすので、この成形体を金属、
セラミツクス、黒鉛、C/Cコンポジツト等の炭
化時の高温においても変形しない材料からなるた
とえば板状体あるいは型枠状の固定材をボルト等
を用いて固定した状態でそのまま炭化処理を行
う。成形体の全体を固定材で囲むと炭化時に生成
するガスの逃げ場がなくなるので、完全に成形体
の周囲を囲む必要はなく、少なくともガスを逃が
すための開口部あるいは開放部分に設けておくこ
とが肝要である。また炭素繊維とピツチ類と炭素
質粉末からなる炭素材の層とを積層するような場
合には、脹れが最も顕著に起こるのは、成形時の
加圧方向であるので、少なくとも成形加圧方向の
脹れを抑制するように固定することでもよい。成
形体が、板状体あるいは直方体のときには、板状
体の固定材を使用し、また成形体が、異形体のと
きには、予め形状をあわせた型枠状の固定材を使
用して固定する。例えば成形体が円柱状の物であ
れば、第1図の様な型枠状の固定材を、使用して
固定すればよい。 その後、固定材をボルト等を用いて固定した成
形体を窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中600
℃以上、好ましくは、1000℃以上1500℃以下の温
度で炭化焼成して目的とするC/Cコンポジツト
を得る。この場合、炭化時の昇温速度が速すぎる
とマトリツクス材料の熱分解による収縮と、ガス
発生が激しくなり、大きな亀裂が発生しやすくな
る。その為昇温速度は、通常100℃/hr以下、好
ましくは20℃/hr以下とすることが望ましい。 このようにして得られたC/Cコンポジツト
は、いまだ気孔率がかなり大きく、高密度、高強
度のC/Cコンポジツトを得る為に、さらにこの
C/Cコンポジツトにピツチまたは炭化可能な樹
脂を含浸する含浸処理を施し、ふたたびアルゴン
等の非酸化性雰囲気中で炭化処理したり、アルゴ
ン等の非酸化性雰囲気中で通常1600〜3000℃、望
ましくは2000〜3000℃で黒鉛化処理する。 この含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理はC/C
コンポジツトの使用目的特性に応じて適宜行うこ
とができる。 以下、実施例に従つて、本発明を説明する。 実施例 実施例 1 平均粒度10μm、軟化点240℃のピツチ50重量%
と、平均粒度10μmの生コークス(揮発分10%)
50重量%を、ニーダーを使用し270℃で混合し、
その後この混合物を100μm以下に粒度調整したも
のと、炭素繊維束クロス(朱子織り)120×120mm
を、交互に金型に25層積層し、温度300℃、圧力
100Kg/cm2でプレス成形し120×120×9tmmの板状
成形体を得た。 次にこの成形体1をステンレス板(160×160×
10tmm)の固定材2に挟み、ボルト3を使用して
第2図の様に固定した。 これを、窒素雰囲気中10℃/hrの昇温速度で
600℃まで昇温しマトリツクスを炭化した。次に、
固定材を取り外した後、窒素雰囲気中で3℃/hr
の昇温速度で1100℃まで昇温しC/Cコンポジツ
トを得た。さらに、このC/Cコンポジツトに、
含浸用ピツチを真空下、200℃で含浸した後、こ
の成形体を窒素雰囲気中にて10℃/hrの昇温速度
で850℃まで昇温し、含浸したピツチを完全に炭
化させた。続いて、このC/Cコンポジツトをア
ルゴン雰囲気中2000℃まで昇温し黒鉛化した。 この黒鉛化したC/Cコンポジツトに含浸用ピ
ツチを用い上記炭化工程をさらに2回と黒鉛化工
程を1回繰り返してC/Cコンポジツト製品を得
た。 得られたC/Cコンポジツト製品の密度、強度
の試験結果を表1に示す。密度は、縦、横、厚み
の実測長さと重量を測定し計算した。
るものである。 従来の技術 炭素繊維強化炭素材料(以下、C/Cコンポジ
ツトという)は炭素繊維を補強材とし、炭素をマ
トリツクスとした複合材料である。C/Cコンポ
ジツトは炭素繊維で強化されているために従来の
炭素材料にくらべ常温、高温での機械的特性にま
さり、また摩擦・制動特性、熱・電気伝導性、耐
蝕性などもすぐれていることから、ロケツトノズ
ル、航空機のブレーキデイスクなどの宇宙航空機
部材として欠かせない材料となつている。このよ
うに応用範囲の広いC/Cコンポジツトの製造法
としては現在大別して2つの系統がある。 その1つはポリアクリロニトリルやレーヨンや
ピツチ系繊維を炭化して得られる炭素繊維のト
ウ、クロス、フエルトなどを簡単に成形した後、
炉に入れて1000〜1500℃に加熱し、そこへ炭化水
素ガスを導入して分解炭化させ、炭素を炭素繊維
表面に沈着せしめてC/Cコンポジツトとする方
法である(以下この方法をCVD法と称する)。
CVD法は生産性が低く所定の密度を得るには多
大な時間を要し、また均一な気孔の少ない炭素材
料を得るにはかなり高度な技術を要する。 他の1つはポリアクリロニトリルやレーヨンや
ピツチ系繊維を炭化して得られる炭素繊維のト
ウ、クロス、フエルトなどに、フエノール樹脂等
の炭素材原料となる熱硬化性樹脂を含浸させたプ
リプレグを積層し、加圧加熱し硬化成形体とした
後、非酸化性雰囲気で炭化処理をし、必要ならば
含浸処理、炭化処理を繰り返しC/Cコンポジツ
トとする方法である。 以上大別した2つの系統以外に、マトリツクス
として、ピツチ類も考えられる。しかし、ピツチ
類は、一旦液状となつてから炭化する為に、炭素
繊維のトウ、クロス、フエルト等とピツチ類を積
層した成形体を炭化すると、脹れを生ずる。つま
り、繊維間が広がり大きな空孔を生じて密度が低
くなり、その為C/Cコンポジツト自体の強度も
弱くなる。 したがつて、現在では、ピツチ類は含浸用とし
て、使用されている場合が多い。 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、ピツチ類と炭素質粉末をマト
リツクスの構成原料として使用し、良好な特性を
示すC/Cコンポジツトを製造することにある。 問題点を解決するための手段 本発明の方法は、炭素繊維を含み、ピツチ類と
炭素質粉末をマトリツクスの構成原料とし、前記
のピツチ類と炭素質粉末の割合がピツチ類20〜95
重量%、炭素質粉末5〜80重量%である炭素材を
予め成形し、得られた成形体を金属、セラミツク
ス、黒鉛、C/Cコンポジツト等の板状体あるい
は型枠状等の固定材で固定することによつて脹れ
を抑えて炭化処理を施し、その後前記固定材を取
り外した後、常法により含浸処理、炭化処理、黒
鉛化処理を適宜施すことを特徴とするものであ
る。 作 用 次に本発明の内容をさらに詳細に説明する。 本発明に用いられる補強用の炭素繊維はポリア
クリロニトリル系、レーヨン系、ピツチ系のいず
れであつてもよく、また炭素質、黒鉛質のいずれ
であつてもよい。炭素繊維の形態は、長さ0.05〜
50mm程度の短繊維であつても、連続繊維であつて
も使用できる。またクロスやフエルト、マツトな
どシート状の形態であつてもよい。上記炭素繊維
は、マトリツクス中にそのままの状態で、または
解繊された状態で全くランダムな方向を向いてい
てもよいし、任意の特定の方向に向けて配列せし
められていてもよい。 また、マトリツクスとなる炭素材の原料は、含
浸ピツチ、バインダーピツチ等のピツチ類と、生
コークス、黒鉛粉末、カーボンブラツク等の炭素
質粉末を混合して使用する。好ましくは、ピツチ
と馴染がよく、炭化時の収縮率の近いピツチを炭
化し揮発分を調整した生コークスを使用する。ま
た、生コークスの揮発分は、炭化時にマトリツク
スが最もよく収縮するように、好ましくは3〜10
%とする。 かかる炭素繊維または炭素繊維の構造物と、前
記マトリツクスを積層もしくは混合したものを、
プレス成形等を行つて成形体とする。 前記成形材料において、炭素繊維または炭素繊
維構造物は20〜90重量%、好ましくは40〜80重量
%含有されていることが望ましい。 炭素繊維が20重量%未満では、得られるC/C
コンポジツトの補強繊維が少なすぎる為、強度が
低くなる。一方90重量%を越えた場合にはマトリ
ツクスの含有量が少なすぎる為、層間における剪
断強度が低下し、炭素繊維の補強効果が充分に発
揮されない。 また、マトリツクスを構成するピツチ類と炭素
質粉末の割合は、ピツチ類を20〜95重量%、炭素
質粉末を5〜80重量%とし揮発分率、粘度等を調
整する。 ピツチ類が少なく、20重量%未満では、粘度が
上がり成形が難しい。また、95重量%を越える
と、炭化時に粘度が下がつてマトリツクス材料の
流出が起こり層間強度が非常に弱くなる。より好
ましくは、ピツチ類を30〜70重量%含有させる。 前記成形体をそのまま炭化すると、ピツチ類が
液状になつた時点で熱分解による生成ガスが成形
体の脹れを引き起こすので、この成形体を金属、
セラミツクス、黒鉛、C/Cコンポジツト等の炭
化時の高温においても変形しない材料からなるた
とえば板状体あるいは型枠状の固定材をボルト等
を用いて固定した状態でそのまま炭化処理を行
う。成形体の全体を固定材で囲むと炭化時に生成
するガスの逃げ場がなくなるので、完全に成形体
の周囲を囲む必要はなく、少なくともガスを逃が
すための開口部あるいは開放部分に設けておくこ
とが肝要である。また炭素繊維とピツチ類と炭素
質粉末からなる炭素材の層とを積層するような場
合には、脹れが最も顕著に起こるのは、成形時の
加圧方向であるので、少なくとも成形加圧方向の
脹れを抑制するように固定することでもよい。成
形体が、板状体あるいは直方体のときには、板状
体の固定材を使用し、また成形体が、異形体のと
きには、予め形状をあわせた型枠状の固定材を使
用して固定する。例えば成形体が円柱状の物であ
れば、第1図の様な型枠状の固定材を、使用して
固定すればよい。 その後、固定材をボルト等を用いて固定した成
形体を窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中600
℃以上、好ましくは、1000℃以上1500℃以下の温
度で炭化焼成して目的とするC/Cコンポジツト
を得る。この場合、炭化時の昇温速度が速すぎる
とマトリツクス材料の熱分解による収縮と、ガス
発生が激しくなり、大きな亀裂が発生しやすくな
る。その為昇温速度は、通常100℃/hr以下、好
ましくは20℃/hr以下とすることが望ましい。 このようにして得られたC/Cコンポジツト
は、いまだ気孔率がかなり大きく、高密度、高強
度のC/Cコンポジツトを得る為に、さらにこの
C/Cコンポジツトにピツチまたは炭化可能な樹
脂を含浸する含浸処理を施し、ふたたびアルゴン
等の非酸化性雰囲気中で炭化処理したり、アルゴ
ン等の非酸化性雰囲気中で通常1600〜3000℃、望
ましくは2000〜3000℃で黒鉛化処理する。 この含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理はC/C
コンポジツトの使用目的特性に応じて適宜行うこ
とができる。 以下、実施例に従つて、本発明を説明する。 実施例 実施例 1 平均粒度10μm、軟化点240℃のピツチ50重量%
と、平均粒度10μmの生コークス(揮発分10%)
50重量%を、ニーダーを使用し270℃で混合し、
その後この混合物を100μm以下に粒度調整したも
のと、炭素繊維束クロス(朱子織り)120×120mm
を、交互に金型に25層積層し、温度300℃、圧力
100Kg/cm2でプレス成形し120×120×9tmmの板状
成形体を得た。 次にこの成形体1をステンレス板(160×160×
10tmm)の固定材2に挟み、ボルト3を使用して
第2図の様に固定した。 これを、窒素雰囲気中10℃/hrの昇温速度で
600℃まで昇温しマトリツクスを炭化した。次に、
固定材を取り外した後、窒素雰囲気中で3℃/hr
の昇温速度で1100℃まで昇温しC/Cコンポジツ
トを得た。さらに、このC/Cコンポジツトに、
含浸用ピツチを真空下、200℃で含浸した後、こ
の成形体を窒素雰囲気中にて10℃/hrの昇温速度
で850℃まで昇温し、含浸したピツチを完全に炭
化させた。続いて、このC/Cコンポジツトをア
ルゴン雰囲気中2000℃まで昇温し黒鉛化した。 この黒鉛化したC/Cコンポジツトに含浸用ピ
ツチを用い上記炭化工程をさらに2回と黒鉛化工
程を1回繰り返してC/Cコンポジツト製品を得
た。 得られたC/Cコンポジツト製品の密度、強度
の試験結果を表1に示す。密度は、縦、横、厚み
の実測長さと重量を測定し計算した。
【表】
比較例 1
実施例1と同一条件で成形体を製造し、次にこ
の成形体を固定材で固定せずそのまま実施例1と
同一条件で炭化した。 実施例1と比較例1の炭化前後の密度を求め、
表2に示した。
の成形体を固定材で固定せずそのまま実施例1と
同一条件で炭化した。 実施例1と比較例1の炭化前後の密度を求め、
表2に示した。
【表】
挟みこみをしなかつた比較例1は、脹れの為炭
化後密度が非常に低くなつている。これを実施例
1の場合と同様に、1.67g/cm3まで密度を上げる
には、数十回の含浸、炭化処理が必要となると推
定される。 発明の効果 以上のように本発明の方法によると現在ほとん
ど一般に製造されていないピツチをマトリツクス
とするC/Cコンポジツトを炭化時の脹れなしに
製造することができるようになつた。また、ピツ
チは炭化収率が高いため含浸工程が少なくても高
密度品を得ることができるので、製造工程が少な
くて済むと言う利点もある。 加えて、高強度で、耐熱性に優れた特徴を持つ
C/Cコンポジツト製品が得られる為、工程用途
に適用することが出来る。
化後密度が非常に低くなつている。これを実施例
1の場合と同様に、1.67g/cm3まで密度を上げる
には、数十回の含浸、炭化処理が必要となると推
定される。 発明の効果 以上のように本発明の方法によると現在ほとん
ど一般に製造されていないピツチをマトリツクス
とするC/Cコンポジツトを炭化時の脹れなしに
製造することができるようになつた。また、ピツ
チは炭化収率が高いため含浸工程が少なくても高
密度品を得ることができるので、製造工程が少な
くて済むと言う利点もある。 加えて、高強度で、耐熱性に優れた特徴を持つ
C/Cコンポジツト製品が得られる為、工程用途
に適用することが出来る。
第1図は、円柱状の成形体を固定する為の型枠
状の固定材の説明図で、1は平面図、2は側面図
である。第2図は、予め成形した炭素材(120×
120×9tmm)を、2枚のステンレス体(160×160
×10tmm)の固定材にて挟み、8組のボルトとナ
ツトにより固定する状況の説明図で、1は平面
図、2は側面図である。 1……成形体、2……固定材、3……ボルト。
状の固定材の説明図で、1は平面図、2は側面図
である。第2図は、予め成形した炭素材(120×
120×9tmm)を、2枚のステンレス体(160×160
×10tmm)の固定材にて挟み、8組のボルトとナ
ツトにより固定する状況の説明図で、1は平面
図、2は側面図である。 1……成形体、2……固定材、3……ボルト。
Claims (1)
- 1 炭素繊維を含み、ピツチ類と炭素質粉末から
なり、前記のピツチ類と炭素質粉末の割合がピツ
チ類20〜95重量%、炭素質粉末5〜80重量%であ
る炭素材を予め成形し、得られた成形体を固定材
で固定したまま炭化処理を施し、その後前記固定
材を取り外した後、含浸処理、炭化処理、黒鉛化
処理を適宜施すことを特徴とする炭素繊維強化炭
素材料の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61081980A JPS62241871A (ja) | 1986-04-11 | 1986-04-11 | 炭素繊維強化炭素材料の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61081980A JPS62241871A (ja) | 1986-04-11 | 1986-04-11 | 炭素繊維強化炭素材料の製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62241871A JPS62241871A (ja) | 1987-10-22 |
| JPH0352426B2 true JPH0352426B2 (ja) | 1991-08-09 |
Family
ID=13761628
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61081980A Granted JPS62241871A (ja) | 1986-04-11 | 1986-04-11 | 炭素繊維強化炭素材料の製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62241871A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02129068A (ja) * | 1988-11-10 | 1990-05-17 | Nippon Steel Chem Co Ltd | 炭素繊維強化炭素材料の製造法 |
| JPH09290474A (ja) * | 1996-04-26 | 1997-11-11 | Nippon Oil Co Ltd | 炭素質成形体の製造方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58110411A (ja) * | 1981-12-24 | 1983-07-01 | Toho Rayon Co Ltd | 炭素材料の製造法 |
| JPS5969410A (ja) * | 1982-10-13 | 1984-04-19 | Nissan Motor Co Ltd | 炭素・炭素複合材の製造方法 |
| JPS6054270A (ja) * | 1983-08-31 | 1985-03-28 | Sanyo Electric Co Ltd | ハンダ付装置 |
-
1986
- 1986-04-11 JP JP61081980A patent/JPS62241871A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62241871A (ja) | 1987-10-22 |
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