空间站无容器材料实验柜 实验样品地面制备规范

ICS

CCSV04

中华人民共和国国家标准

GB/TXXXXX—XXXX

代替GB/T

`

空间站无容器材料实验柜

实验样品地面制备规范

Containerlessmaterialsprocessingrack

Preparationspecificationforspacematerialsscienceexperimentsamples

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

GB/TXXXXX—XXXX

空间站无容器材料实验柜

实验样品地面制备规范

1范围

本文件规定了空间站无容器材料实验柜实验样品的样品要求、制备程序、制备方法、检验方法、试

验报告及其标志、包装、运输及贮存的要求。

本文件适用于利用空间站无容器材料实验柜静电悬浮设备开展科学实验的样品。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T30114.7空间科学及其应用术语第7部分：微重力科学

GJB150.16A军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验

GJB150.18A军用装备实验室环境试验方法第16部分：冲击试验

GB/T30114.1空间科学及其应用术语第1部分：基础通用

GJB4011飞船乘员舱大气环境控制工程设计的医学要求

GJB4009航天员系统对飞船应用系统的技术要求

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

静电悬浮装置electrostaticlevitationdevice

利用静电场中带电样品所受的库仑力抵消所受的重力实现样品悬浮的装置。

注：见GB/T30114.7。

气体悬浮装置aerodynamiclevitationdevice

利用相反重力方向对物体吹气的方式实现其悬浮的装置。

注：见GB/T30114.7。

密闭式气悬浮装置aerodynamiclevitationdevicewithsealingchamber

具有密闭式腔体的气体悬浮装置。

2

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轴心机构movableinterchamber

静电悬浮装置中可移动的内部腔体机构，具备控制样品自动释放和回收的功能。

样品盒samplecartridgeassembly

与本文件轴心机构配套，用于存放空间实验样品的一个密闭容器。

样品释放回收operationtoreleaseandwithdrawforsamples

空间实验样品从样品盒中释放并将其回收至样品盒中的操作。

实验样品experimentsample

用于在空间站无容器材料实验柜进行在轨实验的近球状材料样品。

注：本文件中简称样品。

4样品要求

化学特性

原材料应选择在常温下化学性质稳定，无腐蚀性；高温下不发生燃烧、爆炸等剧烈化学反应，有毒

有害物质释放量应满足GJB4011及GJB4009要求。

4.2外观

样品呈球状，表面应光滑、无毛刺、无裂缝、无多余物。

4.3尺寸范围

样品尺寸范围应满足：

a)样品平均直径D=2.5mm～2.9mm；

b)最大直径Dmax≤2.9mm；

c)最大直径与最小直径差（Dmax-Dmin）≤0.4mm。

4.4释放回收

样品在释放回收过程中运行应无卡滞。

4.5激光加热特性

4.5.1激光吸收特性

样品可吸收波长为10640nm二氧化碳激光器和/或915nm半导体激光器发出的光。

3

GB/TXXXXX—XXXX

a)无机非金属样品可被二氧化碳激光器（功率≤5W）加热和915nm半导体激光器（功率≤300W）

加热至在轨实验需要的温度和状态。

b)金属样品可被915nm半导体激光器（功率≤300W）加热至在轨实验需要的温度和状态。

4.5.2析出物

样品经激光加热至在轨实验需要的温度3次循环后表面无析出物形成，其表面应满足4.2外观要求。

4.5.3抗热冲击性

样品经激光加热至在轨实验需要的温度3次循环后表面无开裂现象，其表面应满足4.2外观要求。

4.5.4挥发率

样品在真空或加压状态下经激光加热至在轨最高实验温度并在此温度保持10分钟后，其挥发率应

≤0.5%。

4.6带电量

样品经施加-30KV～30KV电压后悬浮，且表面电荷量应≥10-12C。

4.7力学环境适应性

样品在X，Y，Z三个轴方向分别进行正弦振动、随机振动及冲击试验后，应满足4.2和4.4的要求。

5制备程序

制备程序应包括制样方案制定，成分设计，坯料制备及成品加工等操作。按照原材料的不同其制备

流程参考如下，见图1。

图1无容器材料科学实验样品制备流程示例

6制备方法

样品制备方案

根据在轨实验目的，确定样品制备方案。

成分设计

根据样品成分要求确定配方，选择合适原材料（金属/氧化物粉末、颗粒或块体）通过称量得到。

坯料制备

根据材料种类采用熔融、机械搅拌及手动搅拌等方法进行混合；采用浇铸，干压及等静压压制等方

法进行坯料制备。

4

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成品加工

采用气悬浮装置或其它切割、球磨、手工打磨等方法将样品加工成球形。

7检验方法

化学特性

样品化学成分应符合样品提供方提供的化学组成及质量证明。

外观质量

7.2.1测量设备

放大倍数不低于5倍的数码光学显微镜1台，分辨率不低于1920ⅹ1080的显示屏1个。

7.2.2测量步骤

将样品置于观察平台上，对焦、观察样品表面并做记录；再任意转动样品方向各2次、分别进行对

焦、观察和拍照记录。需满足4.2要求。

尺寸范围

7.3.1测量设备

精度不低于0.02mm的千分尺。

7.3.2样品数

满足外观质量要求样品29个。

7.3.3测量步骤

在样品外侧随机选取10个测量点，采用千分尺测量此10个点的直径值Dn(n=1～10)，并从中得到

最大直径Dmax和最小直径Dmin。

7.3.4结果计算

a)按式(1)计算样品平均直径D：

퐷+퐷+⋯+퐷

퐷=12푛·······································································(1)

푛

b)按式(2)计算直径最大值与最小值之差∆：

∆=Dmax-Dmin·········································································(2)

式中：

D──实验样品平均直径，单位为毫米（mm）；

Dn──第n次测量的样品直径值，单位为毫米（mm）；

Dmax──最大直径值，单位为毫米（mm）；

Dmin──最小直径值，单位为毫米（mm）。

5

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∆──直径最大值与最小值之差，单位为毫米（mm）

c)尺寸范围应满足4.3要求。

释放回收

样品释放回收按照附录A进行试验，结果需满足4.4要求。

激光加热特性

7.5.1激光吸收特性

7.5.1.1装置

采用以下仪器进行激光吸收特性试验：

a)密闭式气悬浮装置1台；

b)功率大于5W的二氧化碳激光器1台；

c)功率大于75W，激光斑点尺寸0.8，1.2或1.6mm可选的915nm半导体激光器4路；

d)红外测温仪1台，测温范围：500℃～3000℃；

-6

e)真空泵（极限真空度10Pa,抽速60L/s），Ar2(纯度4A)。

7.5.1.2样品数

选取满足外观质量要求的样品，样品数≥3个。

7.5.1.3步骤

a)采用真空泵将腔体内压力抽至10-3Pa，继而充入氩气至常压1.01×105Pa，如此反复3次后，

将样品装入密闭式气悬浮装置的喷嘴上；

b)分别打开激光器、红外测温仪的指示光，将激光光路和测温仪光路聚焦在样品上；如样品为无

机非金属，则采用二氧化碳激光器加热样品至500℃以上，再利用半导体激光器加热样品至实

验温度，观察样品是否完全熔融并分别记录此两种温度时相对应激光器的功率；如样品为金属，

采用半导体激光器加热样品至实验温度，观察样品是否完全熔融并记录此温度时激光器的功

率；

c)关闭激光器；

d)同一样品重复上述步骤3次。

7.5.1.4试验结果

读取样品激光加热至完全熔融时的温度及相对应激光器的功率数值，得到样品激光吸收特性，试验

结果需满足4.5.1要求。

7.5.2析出物

7.5.2.1装置

采用放大倍数不低于5倍的数码光学显微镜1台，分辨率不低于1920ⅹ1080的显示屏1个，其它同

7.5.1.1。

7.5.2.2样品数

6

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采用7.5.1.2同样样品及样品数。

7.5.2.3步骤

采用7.5.1.3操作步骤，并采用数码光学显微镜观察样品表面是否有物质脱落、开裂、碎裂、明显

凸出物等析出物形成。样品表面应满足4.5.2要求。

7.5.3抗热冲击性

采用7.5.2.1同样装置、样品及样品数和操作步骤，观察热冲击后样品表面是否有开裂。样品应满

足4.5要求。

7.5.4挥发率

7.5.4.1装置

采用以下仪器进行挥发率测试：

a)密闭式气悬浮装置1台；

b)静电悬浮装置1台；

c)功率≥5W的二氧化碳激光器1台；

d)功率≥75W，激光斑点尺寸0.8，1.2或1.6mm可选的915nm半导体激光器4路；

e)红外测温仪1台，测温范围：500℃～3000℃；

f)放大倍数不低于5倍的数码光学显微镜1台；

-6

g)真空泵（极限真空度10Pa,抽速60L/s），Ar2(纯度4A)。

7.5.4.2样品数

采用7.5.1.2同样样品及样品数。

7.5.4.3步骤

根据样品在轨实验要求，挥发率测试可分为加压和真空两种状态下进行测试，具体步骤如下。

7.5.4.3.1加压状态

采用密闭式气悬浮装置进行测试：

a)将样品称重并记录为m1；

b)采用真空泵将腔体内压力抽至10-3Pa，继而充入氩气至常压1.01×105Pa，如此反复3次后，

将样品装入密闭式气悬浮装置的喷嘴上；

c)分别打开激光器、红外测温仪的指示光，将激光光路和测温仪光路聚焦在样品上，悬浮样品，

加热样品至实验温度并保持10min；

d)关闭激光器，待样品冷却至室温后再次称重m2。

7.5.4.3.2真空状态

采用静电悬浮装置进行测试：

a)将样品称重并记录为m1；

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b)采用真空泵将腔体内压力抽至10-3Pa，继而充入氩气至常压1.01×105Pa，如此反复3次后，

再采用真空泵将腔体内压力抽至10-3Pa，并将样品装入静电悬浮装置电极上；

c)分别打开激光器、红外测温仪的指示光，将激光光路和测温仪光路聚焦在样品上，加电压至样

品悬浮加热样品至实验温度并保持10min；

d)关闭激光器，待样品冷却至室温后再次称重m2。

注：如样品无法在悬浮状态下加热，则可将样品放置于该装置腔体内或密闭式气悬浮装置，在同样真空度环境下加

热至实验温度并保持10min。

7.5.4.4结果计算

按式（3）计算样品挥发率V，数值应满足4.5.4要求。

푚−푚

V=12×100%····································································(3)

푚1

式中：

V──挥发率，单位为质量分数（%）；

m1──样品加热前质量,单位为毫克（mg）；

m2──样品加热后质量,单位为毫克（mg）。

带电量

7.6.1装置

采用静电悬浮装置测量样品电荷量。

7.6.2样品数

选取满足7.2～7.5要求样品1个。

7.6.3测试步骤

将试样放入静电悬浮装置，调节高压放大器加电压至样品稳定悬浮，记录此时的电压。

7.6.4结果计算

按照公式（4）计算样品带电量，结果应满足4.6要求。

q=U/mg…………………….(4)

式中：

q──样品电荷量，单位为库仑（C）；

m──样品质量，单位克（g）；

U──施加于样品上的电压，单位为伏(V)；

g──重力加速度常数，9.80g/s2。

力学环境适应性

7.7.1装置

采用下列仪器进行力学环境适应性测试：

a)放大倍数不低于5倍的数码光学显微镜1台；

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b)电动振动试验系统1套；

c)样品盒1个。

7.7.2样品数

选取满足7.2～7.5要求样品数≥2个。

7.7.3测试步骤

a)将样品装入样品盒，再用泡沫塑料包裹样品盒并固定在工装板上；

b)振动环境试验；

根据上下行的平台要求，按照GJB150.16A进行检测。

c)冲击环境试验；

根据上下行的平台要求，按照GJB150.18A进行检测。

d)试验结束后将样品取出，再进行7.2，7.4试验。

7.7.4测试结果

测试结果需满足4.7要求。

8试验报告

试验报告可包含以下内容，报告形式示例见附录B：

a)样品信息：样品名称，编号，成分，外形尺寸，质量，测试单位，委托单位，到样日期；

b)试验信息：测试时间，环境温度、湿度，试验人员，参试人员，真空度，地点，样品前处理；

c)试验设备：设备名称，设备参数；

d)试验项目及依据标准；

e)试验结果；

f)试验结论；

g)实验室名称、测试者和报告审核者及单位公章。

9标志、包装、运输及贮存

标志

包装上应有样品名称、编号、委托单位名称、地址、联系人等信息，还应标明防污染、禁摔、易碎

等字样或标志。

包装

样品应用带防潮内衬的塑料袋包装。内外包装袋需密封良好，并能对产品提供足够的抗物理损伤保

护。如有特殊要求，可按需要进行包装。

运输

运输过程中应防止污染、潮湿、碰撞、挤压和强烈震动

9

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9.4贮存

应在包装状态下贮存，保存于通风、干燥、无酸碱及其他无腐蚀性气体的环境中。

附录A

（规范性）

样品释放回收测试方法

A.1装置

轴心机构1台（图A.1）、电机驱动盒1个，样品盒1个(图A.3)。

图A.1轴心机构中推杆运行示意图

图A.2轴心机构方向示意图

图A.3样品盒及物料盘示意图

A.2试样

满足外观质量要求样品29个。

A.3测试步骤

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将轴心机构与电机驱动盒连接。将29个样品依次装入样品盒中物料盘内安装工位1#-29#，并将物料

盘归至0#样品安装工位，如图A.2所示。将样品盒安置在轴心机构中。样品释放回收特性操作按表A.1进

行。

表A.1释放回收操作步骤

步骤内容

1将轴心机构水平放置在支架上，如图A.2（1）中水平方向，启动电机驱动盒及电脑控制程序

2封住孔道：将前推杆由X0向正方向移动至X1处，后推杆由X5向负方向移动至X2处，此时为起始位

3通过电脑控制程序将轴心机构样品盒料盘依次旋转到1#～29#工位，观察料盘在旋转过程中是否顺畅、无卡滞

通过电脑控制程序将轴心机构样品盒料盘按29#→0#→15#→29#→0#的顺序连续旋转，观察料盘在旋转过程中是

4

否顺畅、无卡滞

5将料盘旋转到5#工位

6后推杆保持在X2处不动，向正方向移动前推杆将样品夹住

前推杆、后推杆夹着样品同步向正方向移动至X3与X4连线的中心处，观察前后推杆在夹持样品移动过程中样品

7

是否滑落

8前后推杆回归起始位置

9将料盘旋转到15#工位

10重复步骤7～9

11将料盘旋转到20#工位

12重复步骤7～9

13将料盘旋转到28#工位

14重复步骤7～9

#

15料盘回复至0工位，推杆回复至X0和X5位，关闭电脑控制程序，关闭电源

16将轴心机构以竖直正向姿态(图A.2（2）中竖直正向)固定在支架上

17重复步骤2～16；

18将轴心机构以竖直反向姿态（图A.2（3）中竖直反向）固定在支架上

19重复步骤2～16；

20观察并记录样品的运行情况a

注：a规定图A.1中箭头方向为正方向

A.4试验结果

试验结果按照表A.2，表A.3进行记录

表A.2释放回收测试记录表及样品记录表

细则内容释放回收检测测试阶段

测试地点测试日期

送检单位测试人员

①样品盒编号

初始参数

②样品装机情况样品装机记录见表A3

11

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细则内容释放回收检测测试阶段

推杆封孔

1推杆封孔顺畅

测试

水平旋转逐步旋转

2顺畅

测试料盒号：00（+1#）→29#

水平旋转间隔旋转

3顺畅

测试料盒号：29#→00#→15#→29#→00#

夹持测试

4水平夹持顺畅

料盒号：05#、15#、20#、28#

逐步旋转

5顺畅

竖直-正向料盒号：00（+1#）→29#

旋转测试间隔旋转

6顺畅

料盒号：29#→00#→15#→29#→00#

竖直-正向夹持测试

7顺畅

夹持测试料盒号：05#、15#、20#、28#

逐步旋转

8顺畅

竖直-反向料盒号：00（+1#）→29#

旋转测试间隔旋转

9顺畅

料盒号：29#→00#→15#→29#→00#

竖直-反向夹持测试

10顺畅

夹持测试料盒号：05#、15#、20#、28#

表A.3样品装机记录表

产品名称样品盒产品编号

操作人员生产日期

料盒位号样品位号成分尺寸（mm）重量（mg）

0////

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

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产品名称样品盒产品编号

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

13

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附录B

（资料性）

试验报告模板

试验报告模板见表B.1

表B.1Xxx试验报告

报告编号：xxxx

1、样品信息

样品名称样品编号样品成分尺寸质量

测试单位

委托单位

到样日期

2、试验信息

试验时间环境温度

试验人员环境湿度

参试人员

试验地点

样品前处理

3、试验设备名称参数校准日期备注

4、试验项目及依

据标准

5、结果

6、结论

测试：审核：

单位公章：

14

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前言

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定

起草。

本文件由中国科学院提出。

本文件由全国空间科学及其应用标准化技术委员会(SAC/TC312)归口。

本文件起草单位：中国科学院上海硅酸盐研究所，中国科学院金属研究所，中国科学院空间应用工

程与技术中心，北京国科环宇科技股份有限公司。

本文件主要起草人：余建定，李勤，贺欢，倪津崎，方婧红，刘学超，潘秀红，张明辉，汤美波，

罗兴宏，张立宪，梁学峰。

I

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空间站无容器材料实验柜

实验样品地面制备规范

1范围

本文件规定了空间站无容器材料实验柜实验样品的样品要求、制备程序、制备方法、检验方法、试

验报告及其标志、包装、运输及贮存的要求。

本文件适用于利用空间站无容器材料实验柜静电悬浮设备开展科学实验的样品。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T30114.7空间科学及其应用术语第7部分：微重力科学

GJB150.16A军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验

GJB150.18A军用装备实验室环境试验方法第16部分：冲击试验

GB/T30114.1空间科学及其应用术语第1部分：基础通用

GJB4011飞船乘员舱大气环境控制工程设计的医学要求

GJB4009航天员系统对飞船应用系统的技术要求

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

静电悬浮装置electrostaticlevitationdevice

利用静电场中带电样品所受的库仑力抵消所受的重力实现样品悬浮的装置。

注：见GB/T30114.7。

气体悬浮装置aerodynamiclevitationdevice

利用相反重力方向对物体吹气的方式实现其悬浮的装置。

注：见GB/T30114.7。

密闭式气悬浮装置aerodynamiclevitationdevicewithsealingchamber

具有密闭式腔体的气体悬浮装置。

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轴心机构movableinterchamber

静电悬浮装置中可移动的内部腔体机构，具备控制样品自动释放和回收的功能。

样品盒samplecartridgeassembly

与本文件轴心机构配套，用于存放空间实验样品的一个密闭容器。

样品释放回收operationtoreleaseandwithdrawforsamples

空间实验样品从样品盒中释放并将其回收至样品盒中的操作。

实验样品experimentsample

用于在空间站无容器材料实验柜进行在轨实验的近球状材料样品。

注：本文件中简称样品。

4样品要求

化学特性

原材料应选择在常温下化学性质稳定，无腐蚀性；高温下不发生燃烧、爆炸等剧烈化学反应，有毒

有害物质释放量应满足GJB4011及GJB4009要求。

4.2外观

样品呈球状，表面应光滑、无毛刺、无裂缝、无多余物。

4.3尺寸范围

样品尺寸范围应满足：

a)样品平均直径D=2.5mm～2.9mm；

b)最大直径Dmax≤2.9mm；

c)最大直径与最小直径差（Dmax-Dmin）≤0.4mm。

4.4释放回收

样品在释放回收过程中运行应无卡滞。

4.5激光加热特性

4.5.1激光吸收特性

样品可吸收波长为10640nm二氧化碳激光器和/或915nm半导体激光器发出的光。

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a)无机非金属样品可被二氧化碳激光器（功率≤5W）加热和915nm半导体激光器（功率≤300W）

加热至在轨实验需要的温度和状态。

b)金属样品可被915nm半导体激光器（功率≤300W）加热至在轨实验需要的温度和状态。

4.5.2析出物

样品经激光加热至在轨实验需要的温度3次循环后表面无析出物形成，其表面应满足4.2外观要求。

4.5.3抗热冲击性

样品经激光加热至在轨实验需要的温度3次循环后表面无开裂现象，其表面应满足4.2外观要求。

4.5.4挥发率

样品在真空或加压状态下经激光加热至在轨最高实验温度并在此温度保持10分钟后，其挥发率应

≤0.5%。

4.6带电量

样品经施加-30KV～30KV电压后悬浮，且表面电荷量应≥10-12C。

4.7力学环境适应性

样品在X，Y，Z三个轴方向分别进行正弦振动、随机振动及冲击试验后，应满足4.2和4.4的要求。

5制备程序

制备程序应包括制样方案制定，成分设计，坯料制备及成品加工等操作。按照原材料的不同其制备

流程参考如下，见图1。

图1无容器材料科学实验样品制备流程示例

6制备方法

样品制备方案

根据在轨实验目的，确定样品制备方案。

成分设计

根据样品成分要求确定配方，选择合适原材料（金属/氧化物粉末、颗粒或块体）通过称量得到。

坯料制备

根据材料种类采用熔融、机械搅拌及手动搅拌等方法进行混合；采用浇铸，干压及等静压压制等方

法进行坯料制备。

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成品加工

采用气悬浮装置或其它切割、球磨、手工打磨等方法将样品加工成球形。

7检验方法

化学特性

样品化学成分应符合样品提供方提供的化学组成及质量证明。

外观质量

7.2.1测量设备

放大倍数不低于5倍的数码光学显微镜1台，分辨率不低于1920ⅹ1080的显示屏1个。

7.2.2测量步骤

将样品置于观察平台上，对焦、观察样品表面并做记录；再任意转动样品方向各2次、分别进行对

焦、观察和拍照记录。需满足4.2要求。

尺寸范围

7.3.1测量设备

精度不低于0.02mm的千分尺。

7.3.2样品数

满足外观质量要求样品29个。

7.3.3测量步骤

在样品外侧随机选取10个测量点，采用千分尺测量此10个点的直径值Dn(n=1～10)，并从中得到

最大直径Dmax和最小直径Dmin。

7.3.4结果计算

a)按式(1)计算样品平均直径D：

퐷+퐷+⋯+퐷

퐷=12푛·····························