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文档简介

1、6.1 6.1 软磁材料软磁材料6.2 6.2 硬磁材料硬磁材料6.3 6.3 铁氧体铁氧体6.4 6.4 非晶态磁性合金非晶态磁性合金6.5 6.5 有机高分子磁性材料有机高分子磁性材料6.6 6.6 压磁材料压磁材料6.7 6.7 磁性液体磁性液体6.8 6.8 磁性材料的进展磁性材料的进展掌握软磁材料的特征值、硬磁材料的特征掌握软磁材料的特征值、硬磁材料的特征值;铁氧体及其三种晶体结构、压磁效应值;铁氧体及其三种晶体结构、压磁效应及压磁材料的特征值。及压磁材料的特征值。熟悉非晶态磁性合金及其特性、磁性液体、熟悉非晶态磁性合金及其特性、磁性液体、磁性材料的进展。磁性材料的进展。了解软磁材料

2、、硬磁材料的种类和应用、了解软磁材料、硬磁材料的种类和应用、有机高分子磁性材料。有机高分子磁性材料。 (1 1)软磁材料及其特征值)软磁材料及其特征值(2 2)硬磁材料及其特征值)硬磁材料及其特征值(3 3)铁氧体及其三种晶体结构)铁氧体及其三种晶体结构(4 4)压磁效应及压磁材料的特征值)压磁效应及压磁材料的特征值(5 5)磁滞回线)磁滞回线 根据物质的磁化率,可以把物质的磁性分为抗磁性(-10-5-10-8)、顺磁性(10-310-6)、铁磁性(10-310-5)、亚铁磁性(1104)、反铁磁性(1105)等五类。按各类磁体磁化强度M与磁场强度H的关系,可做出其磁化曲线。图61为它们的磁化

3、曲线示意图。而按原子磁矩排列次序可分为有序排列和无序排列。抗磁性和顺磁性物质为无序排列,其余三类磁性物质为有序排列。 图61 五类磁体的磁化取向示意图 n如按外磁场作用下物质磁行为的表现则可分为抗磁、弱磁和强磁。抗磁性物质表现为抗磁,顺磁性和反铁磁性物质表现为弱磁,亚铁磁性和铁磁性物质表现为强磁。 本章所介绍的磁性材料是指常温下表现为强磁性的亚铁磁性和铁磁性材料。按其不同特点又可分为软磁、硬磁、铁氧体、(非晶态磁性合金、有机高分子磁性材料、压磁材料、磁性液体)等材料。而代表磁性材料性质的基本参量是起始磁导率i、最大磁导率m、矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br、最大磁能积(BH)max等等。不同的应

4、用对材料的磁性有不同的要求。铁磁性和亚铁磁性材料的磁学特性与顺磁性和抗磁性物质不同,主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。 铁磁性物质的磁化曲线如图62OKB曲线所示。随磁化场的增加,磁化强度M或磁感应强度B开始时增加较缓慢,然后迅速增加,再转而缓慢增加,最后磁化至饱和。Ms称为饱和磁化强度,Bs称为饱和磁感应强度。磁化强度不再随外磁场的增加而增加。 然后缓慢减少H,则M或B也随之减少,这个过程称为退磁。但M或B并不按照磁化曲线反方向进行,而是按另一曲线变化,如图62BC段。当H减少到零时,M=Mr,B=Br。Mr为剩余磁化强度,Br为剩余磁感应强度。如果要使M=0(或B=0),则必须要加上一个

5、反向磁场Hc,这个反向磁场Hc称为矫顽力。通常把曲线上的CD段称为退磁曲线。从这里可以看出,退磁过程中M或B的变化是落后于H的变化的,这种现象称为磁滞现象。当反向H继续增加时,最后又可以达到反向饱和,见图62E点。当H从+Hm变到-Hm再变到+Hm时,磁化曲线形成一个封闭曲线,称之为磁滞曲线。磁滞回线所包围的面积表示磁化一周时所消耗的功,称为磁滞损耗Q。HdBQnB=H+4Mn=B/Hn即在磁化曲线上任何点B和相应的H的比值称为磁导率。在磁化曲线上一些特殊点的磁导率。n起始磁导率i:相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规定在0.10.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率,它是软磁材料的重要技术参

6、数。n 最大磁导率m:是磁化曲线拐点K处的斜率(见图62)。它也是软磁材料的重要技术参量。所谓软磁材料就是矫顽力很低(HcT1)系数可用下式表示:12112TT1121ADn4、减落DAn在恒定温度下,经过一定的时间间隔,磁性材料的磁导率相对减少,其减少值表示为n5 5、铁损、铁损n铁损是指磁性材料在交变磁场中反复磁化所消耗的功率。由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗组成。每磁化一周所消耗的能量正比于磁滞回线的面积,这种能量损失称为磁滞损耗。按照电磁感应定律,铁磁材料在交变磁场中磁化,材料内磁通量发生变化时,在磁通的周围会产生感应电动势,因铁磁材料是导电物质,感应电动势将在垂直于磁通方向的截面上感应

7、出闭合的涡流电流。由它所引起的焦耳损失称为涡流损耗。提高电阻率可降低涡流损耗。剩余损耗是指磁滞损耗和涡流损耗外的其他损耗,包括驰豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。6、矫顽力Hc软磁材料在对称周期磁化条件下,磁感应强度B=0时所相应的磁化场强度称为矫顽力Hc。7、饱和磁感应强度Bs在磁化场足够强的情况下,软磁材料可能达到的最大磁感应强度称为饱和磁感应强度。8、剩余磁感应强度Br软磁材料经一定强度的磁场磁化后,再将磁场强度减至零,此时材料内所剩的磁感应强度,称为剩余磁感应强度,通常简称为剩磁Br。Br不仅与材料本身有关,而且与材料的磁化过程有关。9、复数磁导率在交变电磁场中,磁导率既要反映导磁能

8、力的大小,还要表现出B和H间存在的相位差。复数磁导率=-j”22)()(复数磁导率的模称为总磁导率或振幅磁导率。为弹性磁导率,代表了磁性材料中储存能量的磁导率;把”称为粘性磁导率(或损耗磁导率),它与磁性材料磁化一周的损耗有关。磁感应强度相对于磁场强度落后的相位角的正切称为损耗角正切,即tan=”/tan的倒数称为软磁材料的品质因数。综上所述,复数磁导率的实部与铁磁材料在交变磁场中储能密度有关,而虚部”却与材料在单位时间内损耗的能量有关。二、软磁材料种类和应用二、软磁材料种类和应用常用的软磁材料有纯铁、硅钢片、铁镍合金、软磁铁氧体等。1、电工用纯铁:一种含碳量低、含铁量99.95%以上的软钢。

9、2、硅铁合金:在纯铁中加入0.38%4.5%硅,使之形成固溶体,可以提高材料电阻率,减少涡流损耗,这种材料称为硅铁合金。3、镍铁合金:主要是含镍量为30%90%的镍铁合金,通常称坡莫合金。4、软磁铁氧体:铁氧体材料中的一种,是一种容易磁化和退磁的铁氧体。常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。 硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料,又称永磁材料。表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc和最大磁面积(BH)max,三者愈高,硬磁材料性能愈好。由此引起这类材料具有大的磁滞损耗。硬磁材料的硬和软,也可以是指机械手段,因为任何提高磁性材料机械强度的手段往往产

10、生出比较硬的磁性材料。更为确切的方法是用磁滞回线形状区分硬磁材料和软磁材料,图63所示,磁性材料的软硬程度可以用BrHc乘积来度量。 一、硬磁材料特征值一、硬磁材料特征值永久磁铁受到的退磁场作用与外加磁场的方向相反。因此,永磁体的工作点将从剩磁Br点移到磁滞回线第二象限,即退磁曲线的某一点上,如图64所示,永久磁铁的实际工作点用D表示。硬磁材料性能好坏,应该由退磁曲线上的有关物理量来衡量,其特征值如下。 1、剩磁Br和表观剩磁BD磁性材料被磁化到相应最大磁化场Hs后,再使该磁化场为零时所剩留的磁感应强度称为剩余磁感应强度,简称剩磁,用Br表示,单位T。在工作状态下,永久磁铁的工作点在退磁场作用

11、下将从Br点移到D点,这时永磁体所具有的剩余磁感应强度称为表观剩磁表观剩磁BD。2、矫顽力Hc永磁材料的矫顽力Hc有两种定义:一个是使磁感应强度B=0所需的磁场值,用BHc或Hc表示;一个是使磁化强度M=0所需的磁场值,常用MHc表示。3、最大磁能积(BH)max和凸出系数最大磁能积在数值上等于退磁曲线上各点所对应的磁感应强度和磁场强度乘积中的最大值。当硬磁材料的工作点位于退磁曲线上具有(BH)max的那一点时,为了提供相同的磁能所需要的材料体积将最小。材料(BH)max的越大,永磁体性能越好。 另外,退磁曲线的形状与磁能积大小有密切关系。退磁曲线的凸出程度和磁能积有关。如果有两种不同的材料,

12、虽然Br和Hc值都相同,但由于它们的退磁曲线形状不同,它们的(BH)max也不同。退磁曲线凸出程度越大,则磁能积就越大。退磁曲线的凸出程度可用凸出系数表示 :=(BH)max/BrHc 4、回复磁导率rev图65所示,如果一块永磁材料去掉磁化场之后,剩磁Br在纵坐标轴上A点位置上,当受外界各种因素影响时,永磁体的剩磁沿着退磁曲线降到某一位置M。这些影响相当于退磁场的作用,当这些退磁场除去之后,磁性不再回复到A位置,而是到一个新的位置M。如果循环地改变在MM之间的退磁场,永磁体特性将按照回复曲线来改变。这时得到一个狭窄的局部磁滞回线。因为回线的面积很小,通常可用回复曲线来代替,并用仰角的正切表示

13、它的特性,被称为回复磁导率rev,以下式来表示:rev=B/H=tan 5、稳定性硬磁材料的稳定性是指它的有关磁性能在长时间使用过程中或者受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变的能力。用变化率来表示:%100ZZ二、硬磁材料的种类和应用二、硬磁材料的种类和应用硬磁材料分成以下几类:铸造硬磁合金;可变形硬磁合金;硬磁铁氧体;稀土硬磁合金。稀土硬磁合金包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物,为硬磁材料中性能最高的一类。最早的稀土硬磁合金是稀土钴磁铁。第一代永磁材料:RCo5,(BH)max为195.9222.9kJ/m3。第二代永磁材料:R2Co17, (BH)max为297.7kJ/m3

14、。第三代永磁材料:Nd-Fe-B合金, (BH)max 390kJ/m3。其最大缺点是居里温度较低、温度稳定性和环境稳定性较差。第四代永磁材料主要有Sm2Fe17Cx、Sm2Fe17Nx、Sm-Fe-Ti等, (BH)max的理论值高达450kJ/m3。近年来,微晶永磁体和纳米晶稀土永磁体的研制受到较大重视。铁氧体是铁元素与氧化合形成的各种类型的化合物,属亚铁磁性材料中特别重要的一类。实用的铁氧体大多数是软磁的,也有硬磁的。铁氧体的晶体结构主要有尖晶石型、磁铅石型及柘榴石型三种。铁氧体的磁化强度比不上金属磁性材料,但其高电阻率,大大降低了涡流损耗,使之在无线电、高频、微波、脉冲等领域的应用得到

15、迅速发展。铁氧体还具有效率高、体积小、价格低等特点。铁氧体的制备、基本磁性的研究和应用十分成熟。 非晶态磁性合金指的是原子呈无长程序排布并具有优非晶态磁性合金指的是原子呈无长程序排布并具有优异磁特性的合金异磁特性的合金。在非晶态合金材料中,不存在磁晶各向异性问题,只要把材料的磁致伸缩系数做到零,就可以得到高磁导率的材料。 非晶态磁性合金的关键技术是制备工艺。非晶态磁性合金有如下特性:磁导率和矫顽力与铁镍合金基本相同。电阻率比一般软磁合金材料大(130cm)。磁致伸缩特性好。 具有良好的抗腐蚀性,机械抗拉强度和韧性。容易得到比铁镍合金还要薄的薄膜非晶态磁性合金的问题是温度对磁的不稳定性影响比较大

16、。非晶态磁性合金主要有过渡金属和类金属合金、稀土元素与过渡金属合金、过渡金属与过渡金属合金三类。非晶态磁性合金的一个很重要特征值是饱和磁致饱和磁致伸缩系数伸缩系数s s。s s指的是磁场强度加到一定数值后,即当H=Hs,磁化强度达到饱和值Ms时,材料不再继续伸长或缩短,此时的伸缩比l/l,即s s。一般来说,s s越小,非晶态合金的磁性能越好。非晶态磁性合金的应用,国内外都有较大进展。具有铁磁性的有机高分子材料称为有机高分子磁性材料,分为复合型和结构型两种。一、复合型有机高分子磁性材料(一、复合型有机高分子磁性材料(塑料磁性材料)塑料磁性材料是把强磁性粉均匀地分散在塑料或橡胶中制成复合永磁材料

17、,也叫做塑料永磁材料。同时具有永磁体和塑料的特性,能实现批量生产,成本低廉。高分子材料有聚乙烯等热塑性树脂和橡胶等。磁性粉体为钡铁氧体、钐钴合金等硬磁材料。采用磁场成型工艺可获得高性能塑料永磁体。 二、结构型有机高分子磁性材料二、结构型有机高分子磁性材料组成有机化合物的原子,化学键通常为共价键,一般为满层结构,电子成对出现,且自旋反平行排列,而没有净自旋,表现为抗磁性效应。虽然发现少数有机物质呈顺磁性,但迄今在结构上未能合成出有实用价值的铁磁性有机高分子化合物。由磁学理论可知,欲使有机物质具有铁磁性,必须满足两个条件,即首先要获得髙自旋,其次是如何使高自旋有机分子间产生铁磁性自旋排列。理论模型

18、:自旋交换模型、混合堆积模型、周期KondoHubbard模型、Ovchinnikov模型。有机及高分子磁性体分为分子晶体、有机金属化合物和有机聚合物三大类。压磁效应压磁效应是力学形变和磁性状态之间存在的机械能和磁能之间的转换效应,其逆效应称之为磁致磁致伸缩效应伸缩效应。具有此种效应的材料称为压磁材料或磁致伸缩材料。利用压磁材料的相关效应可制成热膨胀系数接近于零的不胀型材料和恒弹性型材料。压磁材料的主要特征值为:饱和磁致伸缩系数s s。指的是磁场强度加到一定数值后,材料不再继续伸长或缩短,此时的伸缩比l/l,即s s。 灵敏度常数d。指的是在恒定压力p下单位磁场产生的磁致伸缩,或在恒定磁场H作

19、用下,单位应力产生的磁感应强度的变化。即:HPBHdn压磁(磁弹性)耦合系数k。k为能够转换为机械能的磁能与材料中的总磁能之比。n对温度、振动等的稳定性和力学强度好。n常用的压磁材料主要有三类:铁氧体压磁材料、金属压磁材料和非晶态合金压磁材料。n压磁材料主要应用于超声和水声器件、电子计算机和自动控制器件、电讯器件、微波器件等。 所谓磁性液体是指铁磁性物质的极微小的颗粒表面吸附上一层表面活性剂,使其均匀稳定地弥散在某种基液之中,形成一种弥散溶液,其基本组成如图66所示。 图66 磁性液体示意图1表面活性剂;2磁性微粒;3基液 磁性液体由磁性微粒、表面活性剂和基液组成。磁性微粒是Fe3O4、-Fe

20、2O3、单一或复合铁氧体、纯铁粉、纯钴粉、铁-钴合金粉、稀土永磁粉等。表面活性剂分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂和非离子表面活性剂等。基液种类很多,如酯类基液、二酯类基液、烃类基液、水基液、氟碳类基液、聚苯醚类基液等。基液选用须视所制磁性液体特点及用途而定。工程上对磁性液体的基本要求是:稳定性好;高的饱和磁化强度和起始磁导率;低粘度和低蒸气压;在重力场、电场、磁场以及非均匀磁场中应具有高度稳定性,并且无明显的凝聚、不产生沉淀和分层;很好的热学性;无毒性。一、高性能磁性材料一、高性能磁性材料超薄晶粒取向硅钢片,非晶稀土永磁材料,巨磁致伸缩材料,磁流变体(磁性微粒分散于绝缘载

21、液中形成的随外磁场变化而具有可控流变特性的非胶状悬浮液体),磁性高分子微球(磁性物质和直径小于1m的高分子微球结合起来的材料)。 二、多功能磁性材料二、多功能磁性材料铁电铁磁材料,磁性半导体,超导磁有序体。三、纳米磁性材料三、纳米磁性材料纳米磁粉材料,超晶格磁膜,纳米复合磁性材料(由软磁和硬磁纳米材料复合形成的磁性材料)。35具有强磁性的材料称为磁性材料。具有强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换,存储或改变磁性材料具有能量转换,存储或改变能量状态的功能,是重要的功能材料。能量状态的功能,是重要的功能材料。 磁性材料广泛地应用于计算机、通讯磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像

22、、电视、仪器和仪表、航、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。空航天、农业、生物与医疗等技术领域。36 按化学组成分类按化学组成分类金属磁性材料、非金属金属磁性材料、非金属(铁氧体铁氧体)磁性材料磁性材料 按磁化率大小分类按磁化率大小分类顺磁性顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性亚铁磁性 按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、旋磁材料、压磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁泡磁材料、磁光材料、磁记录材料记录材料 37宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子宏观

23、磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。组成。当原子磁矩同向平行排列时,宏观当原子磁矩同向平行排列时,宏观磁体对外显示的磁性最强。磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时,宏观磁体当原子磁矩紊乱排列时,宏观磁体对外不显示磁性。对外不显示磁性。38宏观磁体单位体积在某一方向宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度的磁矩称为磁化强度M: M = 原子原子/V39任何物质在外磁场作用下,除了任何物质在外磁场作用下,除了外磁场外磁场H外,由于物质内部原子磁矩外,由于物质内部原子磁矩的有序排列,还要产生一个的有序排列,还要产生一个附加的磁附加的磁场场M。40在物质内部外磁场和附加磁场的总和在物质内部外

24、磁场和附加磁场的总和称为称为磁感应强度磁感应强度B。 B = o(H+M) o - 真空磁导率真空磁导率 = M / H - 磁化率磁化率 = B / H - 磁导率磁导率 41 铁磁性物质铁磁性物质 具有极高的磁化具有极高的磁化率,磁化易达到饱和率,磁化易达到饱和的物质。的物质。如如Fe,Co, Ni, Gd等金属及其合等金属及其合金称为铁磁性物质。金称为铁磁性物质。 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 铁磁性铁磁性 m= 10-2 106磁场磁场 42 亚铁磁性物质亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 亚铁磁性亚铁磁性 m= 10-2 106磁场磁场 如铁氧体

25、如铁氧体(M2+Fe23+O4)等,等,是一些复杂的金属化合物是一些复杂的金属化合物,比铁磁体更常见。,比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向它们相邻原子的磁矩反向平行,但彼此的强度不相平行,但彼此的强度不相等,具有高磁化率和居里等,具有高磁化率和居里温度。温度。43 顺磁性物质顺磁性物质 存在未成对电子存在未成对电子 永久永久磁矩。磁矩。La,Pr,MnAl,FeSO47H2O, Gd2O3 ;在居里温度以上的铁磁性在居里温度以上的铁磁性金属金属Fe, Co, Ni等。等。 居里温度居里温度 由铁磁性或亚由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度界温度称为居里

26、温度(Tc)。顺磁性顺磁性 m=10-6 10-5磁场磁场 44 反磁性物质反磁性物质 不存在不存在未成对电子未成对电子 没有永没有永久磁矩。惰性气体,不久磁矩。惰性气体,不含过渡元素的离子晶体含过渡元素的离子晶体,共价化合物和所有的,共价化合物和所有的有机化合物,某些金属有机化合物,某些金属和非金属。和非金属。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 反磁性反磁性 m= -10-5 -10-6磁场磁场 45 反 铁 磁 性 物 质反 铁 磁 性 物 质 FeO,FeF3,NiF3,NiO,MnO,各种各种锰盐以及部分铁氧锰盐以及部分铁氧体体ZnFe2O4等,它们等,它们相邻原子的磁矩反相

27、邻原子的磁矩反向平行,而且彼此向平行,而且彼此的强度相等,没有的强度相等,没有磁性。磁性。反铁磁性反铁磁性 m= 10-2 10-5磁场磁场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 46铁磁体磁化到技术饱和以后,使它的磁化铁磁体磁化到技术饱和以后,使它的磁化强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。 47在较弱的磁场在较弱的磁场下易于磁化,也易下易于磁化,也易于退磁的材料称为于退磁的材料称为软磁材料软磁材料。 磁导率大,矫顽磁导率大,矫顽力小力小(Hc100A/m),滞损耗低,磁滞滞损耗低,磁滞回线呈细长条形。回线呈细长条形。 48Mn-Zn、Li-

28、Zn铁氧体、铁氧体、Ni-Zn、NiCuZn 铁氧体、铁氧体、MnFe2O4 、 NiFe2O449 软磁材料适用于交变磁场,可用来软磁材料适用于交变磁场,可用来制造各种发电机和电动机的定子和转子制造各种发电机和电动机的定子和转子;变压器,电感器,电抗器,继电器和;变压器,电感器,电抗器,继电器和镇流器的铁芯;计算机磁芯;磁记录的镇流器的铁芯;计算机磁芯;磁记录的磁头与介质;磁屏蔽;电磁铁的铁芯。磁头与介质;磁屏蔽;电磁铁的铁芯。 50磁化后不易退磁,磁化后不易退磁,而能长期保留磁性的铁氧而能长期保留磁性的铁氧体材料称为体材料称为硬磁材料硬磁材料,因,因而也称而也称永磁材料永磁材料或或恒磁材恒

29、磁材料料。磁滞回线包围面积大,。磁滞回线包围面积大,(Hc400A/m) 矫顽力大。矫顽力大。 51 主要是利用磁体在气隙产生足够强的主要是利用磁体在气隙产生足够强的磁场,利用磁极与磁极的相互作用,磁场磁场,利用磁极与磁极的相互作用,磁场对带电物体或粒子或载电流导体的相互作对带电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做功,或实现能量,信息的转换。用来做功,或实现能量,信息的转换。 52矩磁材料磁滞回线矩磁材料磁滞回线磁滞回线近似矩形磁滞回线近似矩形的磁性材料,结晶各向的磁性材料,结晶各向异性,应力各向异性。异性,应力各向异性。 在常温使用的矩磁材料有在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系,系,(Mn-Cu)Fe2O4系,系, (Mn-Ni)Fe2O4系等。系等。在在-65 +125较宽范围使用的矩磁铁

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