人造金刚石用石墨性能的研究

合成金刚石选择石墨的原则咱们今天来讲一讲合成金刚石时选择石墨的事儿。

这就像是我们做手工挑材料一样，可讲究啦。

金刚石可漂亮啦，它亮晶晶的，特别坚硬。

那怎么把石墨变成金刚石呢？这就像变魔术，但是这个魔术得选对石墨这个“小助手”。

有一种情况呀，就像我们挑水果一样，得挑新鲜的。

石墨要是很纯净的那种就特别好。

比如说，假如有一堆石墨，里面有很多杂质，就像我们吃的糖果里面混进了小石子，那可不行。

这些杂质就会捣乱，让合成金刚石的过程变得乱七八糟。

就像我们搭积木，如果积木块有坏的，那我们的小房子就搭不好啦。

纯净的石墨就像崭新的、没有一点破损的积木块，这样才有可能顺利变成金刚石呢。

还有哦，石墨的结构也很重要。

咱们可以把石墨想象成是一群小蚂蚁排着队。

如果小蚂蚁们排得整整齐齐，规规矩矩的，这样的结构就比较适合变成金刚石。

比如说，有的石墨就像是小蚂蚁们乱成一团，这样在要把它变成金刚石的时候，就像要把乱成一团的小蚂蚁重新整齐地排好队，可困难啦。

但是如果小蚂蚁本来就排得很整齐，就像训练有素的小士兵，那把它们变成金刚石这个新的“小队伍”就容易得多啦。

另外呀，石墨的大小也有讲究。

如果石墨太大块了，就像一个超级大的蛋糕，要把它整个变成金刚石可不容易呢。

这就好比我们想把一个大大的泥巴团捏成一个小小的精致的陶俑，很难做到每一处都变好。

可是如果石墨是小块小块的，就像小饼干一样，那我们就可以一块一块地把它们变成金刚石，这样就容易操作多啦。

我们再来说说价格。

就像我们买玩具一样，太贵的玩具可能爸爸妈妈就不会给我们买啦。

选择石墨也是这样，如果太贵的话，合成金刚石的成本就会变得特别高。

那就不划算了呀。

比如说有两种石墨，一种价格像天价一样，另一种价格比较合理，那当然是选择价格合理的那种啦，这样我们就能用比较少的钱来做合成金刚石这个有趣的事儿啦。

所以呀，在合成金刚石选择石墨的时候，就像我们挑选做游戏的小伙伴一样，要考虑很多方面呢，这样才能顺利地把石墨变成漂亮又坚硬的金刚石。

人造金刚石研究报告摘要：人造金刚石是一种通过人工合成方式制备的具有类似天然金刚石结构和性质的新材料。

其在颜色、硬度和耐磨性方面具有突出优势，并且具有广泛的应用前景。

本报告对人造金刚石的制备方法、性质以及应用进行了综述，并对其未来发展方向进行了展望。

1.引言金刚石是一种具有超高硬度和优异物理性质的自然矿物，然而，其稀缺性和高价值限制了其应用范围。

人造金刚石的问世填补了市场需求与供给之间的空白，为不同领域的应用提供了更多可能性。

2.人造金刚石的制备方法人造金刚石的制备方法主要包括高温高压法、化学气相沉积法和其他化学合成方法。

高温高压法是最早被使用的方法之一，通过在高温高压条件下模拟地壳中金刚石的形成过程制备人造金刚石。

化学气相沉积法则是将金属催化剂与烃类原料放置在高温高压下进行反应制备金刚石。

其他化学合成方法则采用不同的化学反应路径，在较低温度和压力条件下制备金刚石。

3.人造金刚石的性质人造金刚石的性质类似于天然金刚石，具有极高的硬度、热导率和光学透明性。

然而，人造金刚石也有其不同之处，如杂质含量较高、晶体结构略有差异。

人造金刚石的硬度和耐磨性使其在工业领域中有着广泛的应用，例如用于切削工具、磨料、光学器件等。

4.人造金刚石的应用人造金刚石因其独特的性质在多个领域得到了应用。

在切削工具领域，人造金刚石可制成高速切削刀具，用于加工硬质材料；在电子学领域，人造金刚石具有优异的热导率和绝缘性能，可用于制备高功率电子设备的散热材料；在光学领域，人造金刚石可用于制备光学窗口、透镜和激光器件等。

5.人造金刚石的未来发展随着科技的进步和人造金刚石制备技术的不断发展，人造金刚石在未来有着广阔的应用前景。

研究人员正在尝试改进制备方法，提高人造金刚石的质量和晶体尺寸，以满足不同应用需求。

此外，人造金刚石的微纳加工技术也是一个研究的热点，将有助于人造金刚石在纳米器件和生物医学领域的应用。

结论：人造金刚石作为一种新的材料，在颜色、硬度和耐磨性方面具有突出优势，并且具备多种应用潜力。

合成金刚石的碳源——“三高一大”石墨我们都知道，从理论上说任何形式的碳，只要充足热力学和动力学条件，都可以转化成金刚石，但工业生产中，合成金刚石的碳源材料是石墨，同时石墨还是发热体，在高压腔里还是受压介质。

那么石墨都有哪些类型呢？石墨包括天然石墨、定向石墨、等静压石墨、纳米石墨、其他石墨。

近年来我国人工合成金刚石重要实行粉末触媒技术，碳源以天然鳞片状石墨为主。

我国是天然鳞片状石墨生产大国，石墨资源丰富，储量巨大。

天然石墨纯洁者很少，常含有大量其他成分，如SiO2、AI2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO等。

用于金刚石合成的天然石墨需具有高石墨化度、高密度、高纯度，行业内称之为“三高”石墨。

之后专家学者们又提出了“三高一大”石墨，加添了石墨晶粒大的特性。

接下来我们分别简单介绍一下：一、石墨化度石墨化度是指碳素材料的晶体结构接近于理想石墨晶体何种程度的比率，石墨化度视晶体层间的大小而定，是表示晶体完整程度的重要指标。

试验证明，石墨化程度越高的样品，在熔融催化剂合金中的溶解度和溶解速度都越大，合成所用时间越短，生成金刚石的产量越多，这是合成金刚石的必要条件。

假如石墨材料的石墨化度很低，那么其结晶就不完善，晶格缺陷就会多，很多键合也不坚固，分解就比较简单，石墨向金刚石变化的晶核较多，金刚石晶体长大所需的碳原子不充分，晶体的长大得不到保障，就很难合成出好的金刚石。

天然石墨，特别是鳞片状石墨依矿床地域不同其石墨化度有所差异，但其数值均较高。

二、密度及气孔率从宏观上说，气孔率是指制品中的空隙，它们是直接影响聚积密度的空隙；从微观上说，气孔率是指结构缺陷，如空的晶格点，也是一种气孔，就是这种气孔缺陷对金刚石结晶有很大的贡献。

实践证明，掌控碳源肯定的气孔率就可以掌控金刚石的成核和生长，从而掌控金刚石的合成效果。

在金刚石的合成过程中，碳源的密度越低，气孔率越大，开口气孔就越多，碳源与触媒合金的接触面也就越大，石墨与触媒合金相互作用的机会也就越多，分散、溶解速度就越快，从而有利于石墨向金刚石的变化。

了解人造金刚石用非金属矿物功能材料人造金刚石作为一种无机非金属材料，属新材料范畴，具有超高硬度、突出耐磨性能等特性，广泛应用在机械加工、石材工业、建筑工业、地质钻探与开采、光学玻璃、电子工业、信息工业等行业。

人造金刚石是目前已知材料中硬度最高的材料，其合成离不开非金属矿物功能材料的参加，其中石墨、叶腊石、白云石等非金属矿物在人造金刚石合成中发挥着不可替代的作用。

1、人造金刚石合成方法人造金刚石的合成依照合成条件可以分为高压合成法和低压合成法，依照转化方式又可以分为间接转化法和直接转化法。

间接静压法能够保证产品有可重复的尺寸、形状和韧性（或脆性），大约90%的工业用金刚石采纳这种方法合成。

金刚石合成所需要的温度与压力条件2、人造金刚石合成用非金属矿物功能材料人造金刚石合成原材料重要有石墨粉、叶腊石粉、金属触媒、预合金粉、白云石粉等，一般情况下，这些上游原辅材料成本占金刚石合成成本的60—70%，其中石墨、金属触媒一般供应充分，但叶腊石存在肯定的进展瓶颈。

下面我们将分别就石墨、叶腊石、白云石在人造金刚石合成中的作用进行介绍。

人造金刚石产业链（1）石墨材料石墨材料是合成人造金刚石的重要原材料。

石墨与金刚石是同素异形体，人造金刚石就是在高温高压下促使石墨发生同素异构变化来生成金刚石。

石墨除为金刚石生长供给必需的碳源外，还用于辅佑襄助加热或者改善腔体温度分布。

人造金刚石用石墨材料的性能指标重要有石墨化度、气孔率与密度、灰分（纯度）与电阻率、晶体结构等，这些重要性能之间具有极高的相互关联性，并统一于石墨这个整体中。

因此，在选择合成金刚石用石墨材料时应当综合考虑其各项性能，并应针对不同的实际生产条件进行选择。

GB/T14898—2023国标对几种人造金刚石用石墨材料理化性能的规定（2）叶腊石叶腊石是高温高压合成金刚石过程中一种不可或缺的辅佑襄助原材料，其具有较高的压力传递效率，核心功能是密封、保温、绝缘。

在金刚石合成过程中，由叶腊石挤压形成的密封边，具有极佳的绝缘性、密封性能。

人造金刚石和金刚石薄膜
早在20世纪30年代就已经有了生产人造金刚石的工厂，只是传统工艺所用的原料一直是石墨。

由于石墨的密度大约只有金刚石的2/3，所以完成这个变化需要高温和高压的条件。

遗憾的是，这样做成的人造金刚石虽然和天然金刚石硬度相当，但是透明度和外形都达不到天然金刚石的水平。

20世纪80年代，人们发现人造金刚石在半导体制造行业具有广泛的应用前景。

因为计算机芯片的基体材料硅的导热性不好，这成为进一步提高技术时的难题。

而金刚石在导热性方面远远超过硅（甚至超过铜和银），于是它成了芯片基体材料的最佳选择。

正是这种需求推动了人造金刚石的研究。

人们想到，金刚石既然是碳的一种单质，为什么不可以用碳原子作为构建金刚石晶体的原料，而一定要通过破坏石墨的晶体来完成呢？灵巧的化学家很快就完成了这项研究。

透明的、晶莹璀璨的人造金刚石就这样在实验室里诞生了。

虽然还没有能够制造出大颗粒的金刚石晶体（所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经制成了金刚石的薄膜。

目前，金刚石用作芯片仍处于研究阶段，但是金刚石膜和金刚石粉已经在其他领域中获得了应用，如激光窗口涂层、高速转动轴承的涂层等。

最有趣的是，当扩音器的纸盒上涂敷金刚石粉后，音质可以大为改善。

我们期待着大颗粒人造金刚石的商品化。

那时，不仅计算机会因此变得更小、更快，而且金刚石也会像20世纪初的铝一样进入平民百姓家。

高温高压下通过石墨直接转化合成的纯聚晶金刚石
用多砧压机在压力为12~25GPa、温度为1800℃~2500℃的条件下,通过石墨直接转化的方法已经合成出纯聚晶金刚石聚合体。

这种聚晶金刚石是无色透明的,而且通过微束X-射线观察可确定它具有立方对称性。

通过TEM观察可看出,样品是由10~20nm的金刚石单晶微粒构成的,通过拉曼光谱仪可以观察到,它的拉曼光谱中只有一条很弱的宽峰,其拉曼位移为~1331cm-1。

压痕法硬度测试表明,这种聚晶金刚石的努普硬度最高可达到140GPa,这个硬度等于甚至高于天然金刚石和合成金刚石的硬度(60~130GPa),而约为含有粘接剂的聚晶金刚石的硬度(50~60GPa)的二倍。

实验结果表明,天然聚晶金刚石可能是由包裹在寒冷的硬壳中的亚稳态石墨下沉到较热的区域,如地幔转化区域中上升的岩浆,而发生快速转化形成的。

人造金刚石、分离石墨烯和化学变化是当今材料科学领域的研究热点。

这些材料具有优越的物理和化学性质，在各种领域都有广泛的应用前景。

本文将从基本概念、制备方法、特性和应用等方面对这三种材料进行介绍。

一、人造金刚石1.基本概念人造金刚石又称合成金刚石，是指通过人工方法合成的具有金刚石结构的材料。

它具有硬度高、热导率好、化学稳定性强等优点，被广泛应用于切割工具、磨料、电子器件以及高压实验等领域。

2.制备方法a.高温高压法：利用高温高压条件下石墨的晶格重排形成金刚石结构。

b.化学气相沉积法：将金属或石墨衬底放入反应室中，通过化学气相反应沉积金刚石薄膜。

c.熔融金属溶液法：在金属溶液中加入碳源，通过化学还原合成金刚石。

3.特性人造金刚石具有与天然金刚石相似的物理和化学性质，硬度高、热导率好、耐腐蚀等特点。

4.应用人造金刚石广泛应用于切割工具、磨料、电子器件、高压实验等领域，对提高生产效率和产品质量起到了重要作用。

二、分离石墨烯1.基本概念石墨烯是由碳原子构成的二维晶体材料，具有优异的电子输运性能、机械强度和热导率，被视为新一代电子器件和材料的重要候选材料。

2.制备方法a.化学气相沉积法：通过化学反应在金属衬底上沉积石墨烯膜。

b.机械剥离法：通过机械去除石墨烯的层层结构来获得单层石墨烯。

c.化学氧化还原法：将石墨氧化后还原得到石墨烯。

3.特性石墨烯具有单层厚度、高导电性和高透明度等特点，被广泛认为是未来电子器件和柔性电子器件的关键材料。

4.应用石墨烯在电子器件、能源材料、生物医药等领域都有重要应用价值，例如柔性电子器件、锂离子电池、生物传感器等。

三、化学变化化学变化是指物质在化学反应中发生的结构和性质的改变。

化学变化在材料制备和性能调控中起着至关重要的作用。

1.影响因素化学变化受多种因素影响，包括温度、压力、催化剂等，这些因素可以调控化学反应的速率和产物的选择性。

2.应用化学变化在材料制备中起着举足轻重的作用，可以通过控制化学反应条件来合成特定性能的材料，如金刚石、石墨烯等。

人造金刚石的制备方法宝子，今天咱来唠唠人造金刚石咋制备的。

咱先说一种常见的方法，高温高压法。

这就像是给原料来一场超级“热压大挑战”。

把石墨这种原料，还有触媒啥的，放在一个特制的装置里。

这个装置能制造出超级高的温度和压力呢。

高温能让原子们都活跃起来，就像小朋友们在游乐场里疯跑一样。

高压呢，就像有一双大手，把那些原子往一块儿挤。

在这种高温高压的环境下，石墨的原子结构就会发生变化，慢慢地就变成金刚石啦。

不过这个过程可不容易，温度和压力的控制得特别精准，就像厨师做菜放盐一样，多一点少一点都不行。

还有一种方法叫化学气相沉积法。

这个听起来就很“高大上”，其实也挺有趣的。

简单来说，就是让含碳的气体在一定的条件下分解。

就像把一个装满小零件的盒子晃一晃，小零件就散出来了。

这些分解出来的碳原子呢，会在基底上慢慢地沉积。

这个基底就像是一个小床，碳原子就像一个个小娃娃躺在上面。

然后它们就会一层一层地堆积起来，最后就形成了金刚石。

这个方法的好处是可以做出形状比较特别的金刚石，不像高温高压法做出来的形状比较单一。

人造金刚石的制备可是个很厉害的技术呢。

它在好多地方都能用得上。

比如说在工业上，金刚石硬度超级高，用来做切割工具，就像一把超级锋利的小刀，不管是切金属还是切石材，都特别厉害。

而且人造金刚石的出现，也让更多的人能用上这种超棒的材料。

以前天然金刚石可稀有了，贵得很。

现在有了人造的，就像把高高在上的公主拉到了人间，大家都能享受到金刚石带来的好处啦。

不过呢，制备人造金刚石还是有很多挑战的，科学家们还在不断地研究，想让这个过程更简单、成本更低、质量更好呢。

第20卷第2期 超　硬　材　料　工　程V o l.20 2008年4月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G A p r.2008天然鳞片石墨灰分对粉末技术合成金刚石的影响①徐燕军1,2,柳成渊1,2,陈　哲1,2,刘一波1,2,尹翔2,赵万林1,2(1.钢铁研究总院,北京　100081;2.安泰科技股份有限公司,北京　100081)摘　要:天然鳞片石墨已经被广泛应用于粉末触媒技术合成人造金刚石,其性能直接关系着金刚石的各项性能指标。

文章通过研究天然鳞片石墨灰分对金刚石静压强度、T T I等性能指标的影响,提出了在选择合成金刚石用石墨材料时,灰分应低于50ppm,同时灰分较低时也要注意残留物有害元素对金刚石的影响,如S、Si等。

关键词:金刚石;鳞片石墨;灰分;粉末冶金技术中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2008)02-0008-04I nf luence of a sh of squama graph ite on syn thesiz i ngd i am ond by powder ca ta lyst technologyXU Yan2jun1,2,L I U Cheng2yuan1,2,CH EN Zhe1,2,L I U Y i2bo1,2,Y I N X iang2,ZHAO W an2lin1,2(1.I ron&S teel R esearch Institu te,B eij ing100081,Ch ina;2.A d vanced T echnology&M aterials Co m p any L i m ited,B eij ing100081,Ch ina)Abstract:T he squam a grap h ite as the carbon sou rce has been w idely u sed in syn thesizingdiam ond by the pow der catalyst techno logy,w h ich affect the perfo r m ance of the syn theticdiam ond directly.In the pap er,the au tho rs m ade a research on the influence of ash ofsquam a graph ite on the static p ress strength and ther m al toughness of i m pact of diam ond,and indicate that the percen t of ash con ten t shou ld be under50ppm,and shou ld p ayatten ti on to the influence of the har m fu l elem en ts such as the S,Si etc.Keywords:diam ond;squam a grap h ite;ash con ten t;pow der m etallu rgy techno logy0　前言近几年来,粉末触媒技术在国产六面顶金刚石压机上合成人造金刚石基本替代了传统的片状技术,而传统的合成金刚石的碳源——碳片也随之变成了石墨粉。

人造金刚石原理人造金刚石是一种人工合成的宝石，其原理是通过模仿自然界中金刚石的形成过程来制造出具有类似性质的人造晶体。

金刚石是一种由碳元素构成的石墨同质异形体，具有非常高的硬度和热导率，被广泛应用于工业领域。

人造金刚石的制造过程主要有两种方法，即高温高压法和化学气相沉积法。

高温高压法是最早被发现和应用的制造方法，它模拟了地球深处高温高压环境，通过将碳源和金属触媒暴露在高温高压条件下，使碳原子重新排列结晶形成金刚石。

这种方法需要非常高的温度和压力，一般在1500至2000摄氏度和50至70千巴的条件下进行。

化学气相沉积法则是利用气相反应在基底上沉积出金刚石晶体，该方法需要将气体中的碳源和金属触媒通过化学反应转化成金刚石晶体。

无论采用哪种制造方法，制造人造金刚石的关键是提供足够的碳源以及合适的温度和压力条件。

在高温高压法中，通常使用金属镁作为碳源，金属触媒则可以是铁、钴、镍等。

而化学气相沉积法中，一般使用甲烷等碳氢化合物作为碳源，金属触媒则可以是钛、铬等。

制造人造金刚石的过程中还需要考虑晶体的生长速度和晶体质量。

晶体生长速度越快，制造成本就越低，但晶体质量也会相应降低。

因此，制造者需要在速度和质量之间进行权衡，以满足不同领域的需求。

此外，晶体的形状和大小也会影响人造金刚石的应用。

晶体形状可以通过选择合适的基底和控制生长条件来调控，而晶体大小则受限于反应时间和碳源浓度等因素。

人造金刚石具有许多优点，使其在多个领域得到广泛应用。

首先，人造金刚石具有极高的硬度，仅次于天然金刚石。

这使得它可以用于制造高硬度的刀具、磨料和研磨材料，广泛应用于机械加工和矿石开采等领域。

其次，人造金刚石的热导率非常高，使其具备了优良的散热性能，因此被应用于制造高功率电子器件和激光器件。

此外，人造金刚石还具有优异的光学性能，可用于制造高质量的光学窗口和透镜。

随着制造技术的不断进步，人造金刚石的质量和产量也在不断提高。

目前，人造金刚石已经成为一种重要的工业原材料，在各个领域都发挥着重要作用。

石墨对金刚石工具胎体性能的影响刘英凯赵振艳林强姚俊青李顺卿（河北省金刚石工具工程技术研究中心050035石家庄）摘要：本文对石墨在金刚石工具中的应用进行了研究。

探讨了石墨加入量、石墨粒度及石墨类型对金刚石工具胎体性能的影响。

结果表明：随着石墨加入量的增加，胎体的孔隙率逐渐增高，致密度降低；加入鳞片石墨的胎体致密度要高于加入颗粒石墨的胎体。

不加石墨的胎体抗弯强度为800MPa，随着石墨加入量的增加，胎体抗弯强度逐渐降低，当-325目颗粒石墨加入量达到2.5%时，胎体抗弯强度仅为470MPa，降低了40%。

在加入量一定的情况下，200目以粗颗粒石墨对胎体抗弯强度的影响要高于相同粒度的鳞片石墨和-325目颗粒石墨。

关键词：石墨胎体性能孔隙率抗弯强度1 前言金刚石工具被广泛的应用于土木工程、石材加工、交通工业、地质勘探与国防工业等领域[1]。

随着金刚石工具使用的普及，其价格一跌再跌，相关企业面临着巨大的成本压力。

因此国内外本行业的研究人员进行了大量的试验研究，开发出了价格相对低廉的Fe基、Cu基胎体，替代传统的Co基、Ni基胎体。

同时随着经济的飞速发展，社会的人工成本逐渐增加，终端使用者要求金刚石工具具有更高的使用效率。

因此，目前金刚石工具行业的开发方向是应用Fe、Cu基胎体开发高性能金刚石工具。

在胎体中加入添加剂元素是改善胎体性能的有效方法，石墨作为一种胎体弱化元素被行业内的研究人员所关注[2-4]。

本文将石墨作为添加剂元素加入Fe、Cu 基胎体中，重点考察了石墨粒度、石墨含量和石墨种类对金刚石工具胎体性能的影响。

2 试验方法及试验设备2.1 试验原料制备胎体的原材料金属粉末有：羰基铁粉、电解铜粉、钴粉、镍粉和锡粉，粒度均为-200目，纯度≥99.2%。

石墨粉末：颗粒石墨，含碳量99%以上，过筛后分为200目以粗和-325目两个粒度组成；鳞片石墨，产地山东青岛，纯度99%，呈扁平状，如图1所示，直径在80μm-200μm之间，厚度20μm左右。

人造金刚石用石墨性能的研究
李和胜;李木森
【期刊名称】《超硬材料工程》
【年(卷),期】2007(019)001
【摘要】用于合成金刚石的石墨具有三个功用--碳源、热源和受压介质,其性能直接关系着金刚石的质量.文章针对人造金刚石用石墨材料主要性能的研究进行了综述,包括石墨化度、气孔率(体积密度)、灰分(纯度)、电阻率以及晶体结构等等.提出在选择合成金刚石用石墨材料时,应综合考虑其满足不同功用的各项性能,同时还要结合具体的生产条件.认为满足合成设备大型化和粉末工艺的粉状石墨和辅助加热用的石墨材料将是人造金刚石用石墨材料发展的新亮点.
【总页数】6页(P13-18)
【作者】李和胜;李木森
【作者单位】山东大学材料科学与工程学院,山东,济南,250061;山东省超硬材料工程技术研究中心,山东,邹城,273500;山东大学材料科学与工程学院,山东,济
南,250061;山东省超硬材料工程技术研究中心,山东,邹城,273500
【正文语种】中文
【中图分类】TQ163
【相关文献】
1.我国人造金刚石用石墨材料的研究 [J], 李和胜;李木森
2.人造金刚石提纯及氧化石墨制备一体化工艺研究 [J], 杨碧野;许红亮;李振宇;王
海超;丁赛赛
3.气相氧化法分离人造金刚石与石墨机理研究 [J], 李小东;王晶禹
4.人造金刚石气相氧化除石墨的研究 [J], 李小东
5.添加剂对人造多晶金刚石抗石墨化性能的影响 [J], 彭应聪;张兴栋;李伯勋;曹阳;吉晓洋
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