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设有具有中空纤维的热保护装置的复合结构

文献发布时间:2023-06-19 19:23:34


设有具有中空纤维的热保护装置的复合结构

技术领域

本发明涉及一种特别是用于液氢罐的壁的设有具有中空纤维的热保护装置的复合结构,以及一种包括至少一个设有这种类型的复合结构的壁的液氢罐。

背景技术

尽管不排他地,本发明更具体地应用于复合结构的生产,该复合结构被设计用于液氢罐,例如装备飞机、且特别是运输机的罐。

众所周知,氢气在环境压力和温度下是气态形式的。这种气态状态不适合在这种类型的应用中储存,因为由于氢气的密度低,它涉及提供非常大体积的罐或高压以便能够容纳大量氢气。解决该问题的解决方案包括通过将其保持在非常低的温度(-253℃)下将以液体状态的氢气储存在密闭密封容器中,氢气是一种特别易挥发的成分。

在用于飞机的液氢罐的情况下,其中质量是重要因素,可以设想使用复合材料而不是金属用于罐壁。然而,在开发用于液氢罐的壁的由包括嵌入基质中的纤维的分层复合材料制成的结构的背景下,从-253℃(20K)和在20℃(77K)、即在罐内部中和罐外部上的温度之间的温度梯度控制鉴于液氢蒸发和相关泄漏的风险出现了很大的问题。特别是,随着热梯度通过差别膨胀产生变形梯度,这种差别膨胀将有助于纤维和基质之间的内聚力的损失,以及分层复合材料的折叠之间的内聚力的损失。因此,除了由于基质膨胀之外,由于纤维和基质之间的膨胀系数差异,也可以引发开裂。更具体地说,微裂纹连接或重新连接纤维/基质界面,并会产生裂纹,其然后将传播。这种类型的开裂会在折叠之间的界面处发展成分层。

因此,在分层复合材料中的裂纹聚结后,可能会无法控制地产生氢气泄漏,这对复合结构的安全造成重大风险。

因此,需要有一种解决方案,它可以为结构提供热保护,该结构设计用于在其中结构的两个面之间产生高温梯度的应用中,同时受益于复合材料的优点,特别是在质量方面。

发明内容

本发明涉及一种特别是用于液氢罐的壁的复合结构,其可以满足这种需要。

为此,根据本发明,所述复合结构包括至少一个热保护装置,并且所述热保护装置包括一根或多根中空纤维。

因此,由于本发明,并且如下文更详细说明的,在复合结构中提供了热保护装置,其使得可以在复合结构的两个面之间的高温梯度的情况下保护复合结构。此外,由于这种热保护装置,特别是热交换器或热屏障,是基于中空纤维生产的,它允许结构受益于复合材料的优点,特别是在质量方面,以下面指定的方式。

设有热保护装置的所述复合结构具有下文指出的许多其他优点。

在本发明的背景内,热保护装置的中空纤维中的每根包括至少一个纵向内部通道,在纤维材料中是中空的。根据一个特定实施例,热保护装置的中空纤维中的至少一些包括多个纵向内部通道。

热保护装置的中空纤维可以以不同的方式获得。优选地,中空纤维中的至少一些对应于以下类型的纤维中的一种:

- 碳纤维;

- 玻璃纤维;

- 热塑性纤维(聚酰胺、聚丙烯等);

- 陶瓷纤维;

- 植物纤维。

根据一个特定实施例,热保护装置的中空纤维中的至少一些是短纤维。

此外,有利地,热保护装置的中空纤维中的至少一些被结合在聚合物基质中。作为变型方案或作为补充,至少一些中空纤维不结合在基质中的布置也是可能的。

此外,根据一个特定实施例,复合结构包括至少一个层,该层设有如本发明中所考虑的中空纤维和常规实心纤维。

在本发明的范围内,热保护装置的中空纤维可以以不同的方式布置在复合结构中。根据第一实施例,复合结构包括多个叠加层,并且所述中空纤维中的至少一些布置在这些层中的至少一个中。

此外,根据第二实施例,作为所述第一实施例的补充或变型方案,复合结构包括多个叠加层,并且所述中空纤维中的至少一些布置在两个直接连续的叠加层之间。

此外,根据第三形式,作为所述第一和/或第二实施例的补充或变型方案,中空纤维中的至少一根布置在复合结构的外层上。

此外,根据一个具体实施例,热保护装置的中空纤维中的至少一根被以缠绕管的形式生产。

在本发明的范围内,中空纤维的一个或多个内部通道可以以不同的方式使用。根据第一实施例,中空纤维中的至少一些简单地填充有气体。可以使用不同类型的气体。特别地,根据第一形式,气体是空气,而根据第二形式,气体是中性气体。

此外,根据第二实施例,作为所述第一实施例的补充或变型方案,中空纤维中的至少一些具有穿过它们的热交换流体,并且热保护装置包括至少一个供应单元,其被配置为在所述中空纤维中循环热交换流体。

此外,根据第三实施例,作为所述第一和/或第二实施例的补充或变型方案,将中空纤维中的至少一些置于真空下,并且热保护装置包括至少一个真空-产生单元,其被配置为在所述中空纤维中产生真空。

此外,根据一个特定实施例,热保护装置的中空纤维中的至少一些包括不透氢的外壳。

本发明还涉及一种特别是用于飞行器的液氢罐。

根据本发明,所述液氢罐包括至少一个壁部件,该壁部件设有复合结构(包括热保护装置)、诸如上述复合结构。

附图说明

附图将使得良好理解如何能够实施本发明。在这些图中,相同的参考符号表示相似的元件。

图1是设有聚合物树脂的分层型复合结构的特定实施例的透视示意图。

图2是设有单个内部通道的中空纤维的局部透视图。

图3是设有多个内部通道的中空纤维的局部透视图。

图4是图1的复合结构的分解示意图。

图5是没有树脂的分层型复合结构的特定实施例的透视示意图。

图6是设有短中空纤维层的复合结构的特定实施例的透视局部示意图。

图7是设有一层单向中空纤维且设有用于循环热交换流体的单元的复合结构的特定实施例的透视局部示意图。

图8是设有多层单向中空纤维且设有用于循环热交换流体的单元的复合结构的特定实施例的透视局部示意图。

图9是设有单个缠绕管且设有用于循环热交换流体的单元的复合结构的特定实施例的透视局部示意图。

图10是设有多个缠绕管且设有用于循环热交换流体的单元的复合结构的特定实施例的透视局部示意图,每个缠绕管通入复合结构的不同层。

图11是设有一层单向中空纤维且设有真空发生单元的复合结构的特定实施例的透视局部示意图。

具体实施方式

在图1中的特定实施例中示意性地表示并且可以说明本发明的复合结构1是由复合材料制成的结构,其优选地是多层的。

尽管不是排他性的,复合结构1特别适合至少部分地用作液氢罐的壁。

这种类型的液氢罐特别设计用于装备至少部分使用氢气运行的移动交通工具。优选地,罐被设计成装备飞行器,特别是运输机。

在图1的示例中,复合结构1包括多个叠加层C1至C5。

根据本发明,复合结构1还包括热保护装置2。

此外,根据设想的实施例,该热保护装置2包括一根或多根中空纤维3。

优选地,热保护装置2包括多根中空纤维3。在以下描述中,考虑热保护装置2包括多根中空纤维,除了图9的特定实施例,其包括单根中空纤维,如下所指定的。

在本发明的背景内,“中空纤维”是指设有至少一个中空纵向内部通道的纤维3,即在纤维材料内部纵向(即,其沿纤维延伸)形成的通道。通常,内部通道仅在其两个纵向端部处通向纤维的外部。

根据第一实施例,中空纤维3可包括单个内部通道I1,如图2中所示。该内部通道I1可例如与中空纤维3的纵向轴线X-X基本同轴,如在图2的示例中所示,其中内部通道I1用虚线表示。内部通道也可以不同地定位在纤维的横截面中,特别是以任何方式。

根据第二实施例,中空纤维3可以包括多个内部通道I1、I2、I3、I4、I5和I6,如图3中所示。在图3的示例中,内部通道I1与中空纤维3的纵向轴线X-X基本同轴,并且内部通道I2至I6围绕内部通道I1分布在纤维材料中。应当理解,可以设想不同内部通道在中空纤维的横截面中的任何定位。此外,内部通道的数量是可变的,并且例如可以在2和10之间。

中空纤维3可以以基本上笔直的方式(沿着纵向轴线X-X)、以弯曲的方式或以任何方式布置在复合结构1中。

在本发明的背景内,中空纤维3可以由不同的材料制成。优选地,它们以常规方式制成,例如复合材料的常规纤维,并且例如由与也用于复合结构1中的实心纤维相同的材料制成。

根据第一实施例,热保护装置2的中空纤维3是碳纤维。这种类型的碳纤维是使用已知的常规生产方法生产的,其不再进一步描述。

中空碳纤维还具有不透氢的优点,这在应用于液氢罐中具有额外的优点,如下所述。

此外,根据第二实施例,热保护装置2的中空纤维3是植物纤维,诸如例如竹纤维或亚麻纤维。

此外,根据第三实施例,热保护装置2的中空纤维3对应于以下类型的纤维中的一种:

- 玻璃纤维;

- 热塑性纤维(聚酰胺、聚丙烯等);

- 陶瓷纤维。

在本发明的背景内,中空纤维3尤其可以是:

- 长纤维,即其长度等于复合结构在给定方向上的长度;或者

- 短纤维,其在其被布置的方向上比复合结构的长度短。

在本发明的背景内,除了能够具有不同的且变化的形式、尺寸和数量之外,一根或多根中空纤维3可以以不同的方式布置,且在复合结构1的不同位置。

在下文中参考图1、5和6以非限制性说明的方式描述复合结构1的不同实施例。

根据图1中所示的第一实施例,复合结构1包括多个叠加层C1至C5。层C1至C5在垂直方向Z上彼此叠加。这些层C1至C5中的每一层都包括单向纤维3、5。“单向纤维”是指所涉及的纤维,例如复合结构的层的纤维,都在相同方向上布置。

这些单向纤维嵌入在常规聚合物基质4中,如图1和4中的灰色背景所示。这种聚合物基质4例如由纤维素或聚乳酸制成。

为了便于描述图1中的复合结构1,图4以分解的方式表示了(图1的)复合结构1的层,其中层彼此垂直隔开。在该图4中,R代表说明参考方向的箭头。

在图1中的示例中:

- 层C1的单向纤维(实心纤维5)沿相对于由箭头R所示方向成90°角的方向取向;

- 层C2的单向纤维(中空纤维3)沿相对于由箭头R所示方向成45°角的方向取向;

- 层C3的单向纤维(实心纤维5)沿由箭头R所示方向取向;

- 层C4的单向纤维(中空纤维3和实心纤维5)沿相对于由箭头R所示方向成135°角的方向取向;且

- 层C5的单向纤维(实心纤维5)沿相对于由箭头R所示方向成90°角的方向取向。

应当理解,作为变型方案,取向可以具有不同于图1的方向的方向,且特别是任何方向。

在该示例中,复合结构1的纤维中的一些是中空纤维3,并且复合结构1的其他纤维是常规实心纤维5。举例来说,层C2的纤维是中空纤维3,并且层C1、C3和C5层的纤维是常规实心纤维5。

在本发明的背景内,“实心纤维”是指习惯性地用于复合材料中的任何纤维,其中材料在其所有横截面中,即没有设有中空内部通道的纤维。这些常规的实心纤维在本说明书中没有进一步描述。

还可以设想将混合纤维布置在层中,即将中空纤维3和常规实心纤维5二者都布置在单个层中,如在层C4中。在该层C4的示例中,纤维交替地是中空纤维3和实心纤维5。应当理解,实心纤维和混合纤维之间的其他分布是可能的,且特别是任何分布。

根据该第一实施例的变型方案,复合结构包括单个复合层,例如类似于层C4的层。

此外,根据图5中所示的第二实施例,复合结构1还包括多个层C1至C5,其包括单向纤维。

然而,与图1中所示的第一实施例的复合结构1不同,图5的复合结构1不包含聚合物基质。根据该第二实施例,纤维3和5没有嵌入基质中。

对于该第二实施例,可以设想与以上针对第一实施例指出的那些相同类型的变型方案,例如具有不同方向的单向纤维,或空心纤维和实心纤维在单个层或不同层中的不同组合。

不管设想的实施例如何,具有例如在60μm和100μm之间的厚度的层(或折叠)中的每个可以在其厚度上包括多个纤维堆叠。举例来说,具有70μm的厚度的层可以包括在其厚度上直径为10μm的七根纤维的最大堆叠。具有较小直径的纤维,包括例如数量减少的内部通道,可以允许在单个层中更多地堆叠纤维。

此外,根据图6中所示的第三实施例,复合结构1是包括由短中空纤维3构成的一层或多层的结构。在图6的示例中,复合结构1包括:

- 叠加的多个常规连续层Ci。这些常规层Ci可以例如包括嵌入聚合物树脂中的常规实心纤维;和

- 布置在所有连续层Ci上的层C6。该层C6包括短中空纤维3。

根据该第三实施例的优选形式,层C6的短中空纤维3随机定位,并通过热塑性或热固性粘合剂保持在一起。因此,在这些短中空纤维3之间的层C6中自然产生间隙。这种类型的形式允许流体(中性气体、空气、热交换流体)在中空纤维3中以及通过如此产生的间隙循环,或保持在真空下如此产生的间隙和中空纤维。

该形式因此可以形成可渗透流体的层C6,并且可以用于根据特定实施例的热交换流体的通道,如下所述。

在图6的示例中,层C6仅包含中空短纤维。根据变型方案(未示出),层C6可以包括中空纤维和常规实心纤维两者作为短纤维。

根据该第三实施例的另一变型方案,复合结构可以包括多个中空纤维层,例如层C6。

在图6的实施例中,复合结构1还设有布置在复合结构1的外表面上的不可渗透层CI。

此外,还可以设想形成由以常规方式编织的中空纤维(和可选地实心纤维)获得的可渗透层。

在本发明的背景内,一根或多根中空纤维因此可以以不同的方式和在复合结构1的不同位置布置,如在图1、5和6的前述示例中特别以非限制性方式示出的。应当理解,也可以设想上述不同特征的各种组合。特别地,可以提供包括至少两个区域的复合结构,其中每个包括特定实施例的特征。

复合结构1因此受益于复合材料的优点,特别是在例如质量方面,与金属材料相比。

此外,由于热保护装置2,与使用实心纤维相比,由于使用中空纤维,复合结构1还可以受益于重量的显著减轻。例如由碳制成的中空纤维可以在复合结构1的水平上节省大约50%和高达65%的质量。

事实上,作为说明,在碳中空纤维嵌入树脂的复合结构的情况下,其中碳纤维的密度约为1.7g/cm

在本发明的背景内,中空纤维(其因此可以具有不同的特征并且可以如上文所指定的以不同方式布置)也可以以不同方式使用,特别是根据所需的性能水平和设想的应用。

根据简化的第一实施例,中空纤维3简单地填充有气体,特别是空气。根据变型方案实施例,它们填充有中性气体。

在该第一实施例中,热保护装置2对应于热屏障6(图5),这使得可以通过中空纤维3的内部通道限制热交换(其也优选地不透氢,通过特别是在碳的情况下,或通过特定保护,如果提供这种类型的保护)。与常规的实心纤维相比,中空纤维3由于中空纤维的热导率较低,因此可以降低复合部件1的热导率。

该第一实施例可以应用于设有中空纤维的不同可能形式的复合层,且特别是应用于图1、5和6的那些,以及应用于描述的相应变型方案。

作为说明,图5的复合结构1的热保护装置2包括这种类型的热屏障6。更具体地,在该示例中其中空纤维3设有气体的层C4与复合结构1的其他常规层相比具有降低的热导率,并因此构成层C3和C5之间的热屏障6,层C4被布置在层C3和C5之间。复合结构1因此结合热屏障,其可以限制热的传递。

根据该第一实施例,代替将气体(例如空气或中性气体)引入中空纤维3,还可以设想在中空纤维3的内部通道中产生真空,并通过关闭这些内部通道的纵向端部保持该真空。这种类型的真空可以限制热导率。

代替作为被动热保护装置(产生热屏障),热保护装置也可以是主动的或动态的。这种主动或动态热保护装置可配置为特别对应于热交换器在中空纤维3等中产生流体循环(中性气体、空气、热交换流体)或在中空纤维中产生真空,如下所述。

此外,根据第二实施例,热保护装置2被配置为在中空纤维3中循环热交换流体。为此目的,对应于热交换器8的热保护装置2还包括供应单元9,其被配置为在所述中空纤维3中循环热交换流体。根据第二实施例,热保护装置2因此是主动或动态类型的装置。

可以设想不同的形式。

作为说明,根据图7中所示的(该第二实施例的)第一形式,复合结构1包括设有实心纤维(未示出)的常规层Cj1的组件10,以及设有实心纤维(未示出)的常规层Cj2的组件11,以及布置在两个组件10和11之间的层C7。该层C7设有单向中空纤维3,沿由双箭头F所示的(单)方向定向。

层Cj1的组件10形成例如第一分层单元,并且层Cj2的组件11形成第二分层单元。层C7因此布置在这些第一和第二分层单元之间。

根据该第一形式,供应单元9包括:

- 循环装置12,其被配置为循环热交换流体,特别是在所需温度下;

- 接口单元13,其被配置为使热交换流体(通过循环装置12进入循环,并通过管道14接收)在复合结构1的上游(相对于热交换流体在层C7的中空纤维3中的循环方向E1)的端部15处进入,到层C7的中空纤维3的内部通道的组件中;和

- 接口单元16,其被配置为在复合结构1的下游端部17处回收来自中空纤维3的内部通道的输出处的所有热交换流体,并通过管道18将它们返回到循环装置12。

此外,根据图8中所示的(该第二实施例的)第二形式,复合结构1包括多个层Ck,每个层Ck均包括单向中空纤维3,沿单个方向布置,由箭头G所示。

根据该第二形式,热保护装置2的供应单元9(其对应于热交换器8)包括:

- 循环装置19,例如与循环装置12相同,其配置成使热交换流体特别是在所需温度下循环;

- 接口单元20,被配置为使热交换流体(其由循环装置19循环,并通过管道21接收)在复合结构1的上游(相对于热交换流体在层Ck的中空纤维3中的循环方向E2)的端部22处进入,到层Ck的中空纤维3的内部通道的组件中;和

- 接口单元23,被配置为在复合结构1的下游端部24处回收来自中空纤维3的内部通道的输出处的所有热交换流体,并通过管道25将它们返回到循环装置19。

根据图8的实施例,复合结构1还设有布置在复合结构1的外面上的不可渗透层CI。

根据该第二实施例的第一和第二形式,热保护装置2包括以长纤维形式提供的多根中空纤维3,其基本上具有它们布置在其中的层的长度。

根据该第二实施例(关于热交换流体的循环),还可以设想使用以缠绕管的形式布置的一根或多根较长的中空纤维。作为说明,下文以图9中所示的第三形式和图10中所示的第四形式的形式呈现不同的示例。

根据图9的第三形式,热保护装置2包括以缠绕管26的形式布置在复合结构1的外层C8上的单根中空纤维3。复合结构1还包括连续层Cm的组件,该连续层Cm被叠加(沿垂直方向Z),并且层C8布置在该叠加层Cm的组件上。

根据该第三形式,热保护装置2的供应单元9(其对应于热交换器8)包括:

- 循环装置27,其配置为在所需温度下循环热交换流体;

- 接口单元28,其配置成在缠绕管26的上游端部30处(沿热交换流体的流动方向E3)使热交换流体(其由循环装置27循环,并通过管道29接收)进入形成缠绕管26的中空纤维3的一个或多个内部通道中;和

- 接口单元31,其配置为在下游端部32处(沿热交换流体的流动方向E3)回收来自形成缠绕管26的中空纤维3的一个或多个内部通道的输出处的热交换流体,并通过管道33将其返回到循环装置27。

此外,在图10的第四形式中,复合结构1包括多个连续的叠加层Cn,形成例如分层单元,并且热保护装置2包括多根中空纤维3,每个中空纤维3在复合结构1中以缠绕管34A,34B的形式产生。为了图的清楚起见,图10仅表示两个缠绕管34A和34B。然而,热保护装置2可以包括大量这种类型的缠绕管。

这些缠绕管34A和34B中的每个依次(连续地)从一层到下一层,并且对于层中的每个,它被布置在该层中。

在该第四形式中,热保护装置2的供应单元9(其对应于热交换器8)包括:

- 循环装置35,其配置为使热交换流体在所需温度下循环;

- 接口单元36,其配置成在缠绕管34A和34B的上游端部39处(沿热交换流体的流动方向E4)使载热流体(其由循环装置35循环并通过管道37接收)进入形成缠绕管34A和34B的中空纤维3的组件的一个或多个内部通道;和

- 接口单元38,其配置成在缠绕管34A和34B的下游端部49处(沿热交换流体的流动方向E4)回收来自形成缠绕管34A和34B的中空纤维3的组件的一个或多个内部通道的输出处的热交换流体,并通过管道40将其返回到循环装置35。

根据该第二实施例,并且无论设想的形式如何,在复合结构1的内部或复合结构1的外面上产生的热交换流体的循环使得可以排出热量,并且因此限制复合结构1中承受的热梯度值。

此外,根据第三实施例,在中空纤维3的一个或多个内部通道中产生真空。

根据该第三实施例,热保护装置2还包括真空产生单元41,其被配置为在中空纤维3中产生并保持真空。根据该第三实施例,被配置为保持真空的热保护装置2因此属于主动型。

该第三实施例可以应用于类似于上面关于热交换流体循环的针对第二实施例所述的复合结构的复合结构,特别是通过提供真空产生单元而不是热交换流体供应单元。

作为说明,图11表示该第三实施例的示例,其应用于类似于图7的结构的结构。

复合结构1包括设有实心纤维(未示出)的常规层Cj1的组件10、和设有实心纤维(未示出)的常规层Cj2的组件11、以及布置在两个组件10和11之间的层C7,其设有单向中空纤维3,沿由箭头F所示的方向定向。

层Cj1的组件10形成例如第一分层单元,并且层Cj2的组件11形成第二分层单元。层C7因此布置在这些第一和第二分层单元之间。

在本示例中,真空产生单元41包括:

- 真空产生器42;

- 接口单元43,其配置成在复合结构1的第一端部45处将真空产生器42(通过管道44)连接到层C7的中空纤维3的内部通道的组件;和

- 接口单元46,其配置成在复合结构1的与第一端部45相对的第二端部48处将真空产生器42(通过管道47)连接到层C7的中空纤维的内部通道的组件。

如上所述,复合结构1具有许多优点。

首先,复合结构1受益于在热保护装置2中使用中空纤维3所固有的重量减轻。

此外,热保护装置2的这些中空纤维3:

- 具有低于实心纤维的导热性能的导热性能;

- 可以通过它们的内部通道(其优选地不可渗透氢)充当热交换屏障;和

- 可以(通过它们的内部通道)用作热交换流体循环的路径,或用作产生真空的空间。

此外,根据其中热交换流体在中空纤维3的内部通道中循环的特定实施例,中空纤维3:

- 为下面的复合层提供热保护,其中成功减少与不同热膨胀相关的横向开裂;

- 通过热交换流体在所需位置提供绝缘;和

- 可以实现其他功能,诸如例如生成合适的极性。

此外,在液氢罐的优选应用中,其中罐壁的至少一部分包括如所述的复合结构1,复合结构1的热保护装置2参与建立壁的机械阻力,它建立了对氢气的屏障,并可以最小化液氢的蒸发。

更具体地,用作在低温操作温度下使用的罐的壁的复合结构1与例如由金属制成的常规解决方案相比具有质量节省。这种复合结构可以产生热绝缘,并在壁损坏时最小化气态氢和液氢的泄漏水平。

氢气蒸发的最小化尤其可以通过热交换器基于热交换流体在复合结构1的中空纤维中的循环来获得。

在对于液氢罐的壁的该应用中,壁的内面暴露于-253℃的液氢,且壁的外面暴露于环境温度。因此,必须最小化进入罐的流量,以减少液氢的蒸发。使用热保护装置2,可以设想获得:

- 在中空纤维中循环的流体(例如空气)进入的流量减少5%;

- 在中空纤维中循环的冷热交换流体进入的流量减少5%和80%之间;和

- 通过在中空纤维中产生真空进入的流量减少80%。

使用例如由碳制成的中空纤维,因此可以结合:

- 在复合结构1的水平上节省大约50%、且甚至大约65%的质量;

- 热绝缘;和

- 降低复合结构的每层所承受的热膨胀梯度,从而可以降低每个纤维微层所承受的热机械应力水平,以及减少具有不同定向的层之间的热机械剪切。因此,离与液氢接触的层最远的层中的横向开裂显著减少。

技术分类

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