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復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝改進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝改進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝改進(jìn)一、復(fù)合材料構(gòu)件概述復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料,通過物理或化學(xué)的方法,在宏觀上組成具有新性能的材料。復(fù)合材料構(gòu)件在現(xiàn)代工業(yè)中具有重要地位,其具有眾多優(yōu)異特性,使其在航空航天、汽車制造、船舶工業(yè)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。(一)復(fù)合材料構(gòu)件的特點1.高比強(qiáng)度和比模量復(fù)合材料通常以纖維等高強(qiáng)度材料作為增強(qiáng)體,與基體材料復(fù)合而成。其比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)和比模量(模量與密度之比)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬材料。例如,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度可達(dá)鋼的數(shù)倍,這使得在承受相同載荷時,復(fù)合材料構(gòu)件重量更輕。在航空航天領(lǐng)域,減輕結(jié)構(gòu)重量對于提高飛行器性能、降低能耗、增加航程等具有關(guān)鍵意義。2.可設(shè)計性強(qiáng)可以根據(jù)構(gòu)件的具體使用要求,通過選擇不同的增強(qiáng)材料、基體材料以及調(diào)整它們的比例和鋪設(shè)方式等,來設(shè)計出滿足特定性能需求的復(fù)合材料構(gòu)件。例如,在需要較高強(qiáng)度的部位可增加增強(qiáng)纖維的含量或采用高強(qiáng)度纖維,在需要良好耐腐蝕性的環(huán)境中可選用耐腐蝕的基體材料。3.良好的耐腐蝕性許多復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能,能在惡劣的化學(xué)環(huán)境中長期使用而不發(fā)生明顯腐蝕。與金屬材料容易生銹、腐蝕不同,復(fù)合材料構(gòu)件在海洋工程、化工設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢,可有效降低維護(hù)成本,延長使用壽命。(二)復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用領(lǐng)域1.航空航天在航空航天領(lǐng)域,復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用極為廣泛。如飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)部件采用復(fù)合材料,不僅減輕了飛機(jī)重量,還提高了飛機(jī)的燃油效率、飛行性能和機(jī)動性。同時,復(fù)合材料的耐疲勞性能也有助于提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,降低維護(hù)頻次。在航天器方面,復(fù)合材料用于制造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件、太陽能電池板支架等,能夠滿足航天器在太空極端環(huán)境下的使用要求。2.汽車制造隨著汽車行業(yè)對節(jié)能減排的要求不斷提高,復(fù)合材料構(gòu)件在汽車上的應(yīng)用越來越多。例如,汽車車身、保險杠、內(nèi)飾件等采用復(fù)合材料,可有效減輕整車重量,從而降低油耗,減少尾氣排放。此外,復(fù)合材料還可實現(xiàn)復(fù)雜形狀的成型,為汽車設(shè)計提供更多的靈活性,提升汽車的美觀性和舒適性。3.船舶工業(yè)復(fù)合材料在船舶制造中具有重要應(yīng)用。如快艇、游艇的船體采用復(fù)合材料,具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點,可提高船舶的航行速度和耐久性。同時,復(fù)合材料還可用于制造船舶的上層建筑、艙口蓋等部件,降低船舶重心,提高船舶的穩(wěn)定性。二、復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝現(xiàn)狀目前,復(fù)合材料構(gòu)件的組裝連接工藝主要包括機(jī)械連接、膠接和混合連接等方式,每種方式都有其特點和適用范圍,但也存在一些亟待解決的問題。(一)機(jī)械連接1.工藝原理機(jī)械連接是通過螺栓、鉚釘?shù)冗B接件將復(fù)合材料構(gòu)件連接在一起。其工藝相對簡單,連接可靠性較高,便于拆卸和維修。在連接過程中,連接件穿過復(fù)合材料構(gòu)件上預(yù)先鉆制的孔,通過螺母或鉚釘頭的緊固作用,使構(gòu)件之間形成緊密連接。2.存在的問題(1)應(yīng)力集中在連接件與復(fù)合材料孔壁接觸處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于復(fù)合材料的各向異性和脆性特點,應(yīng)力集中容易導(dǎo)致孔周圍材料產(chǎn)生裂紋,從而降低構(gòu)件的連接強(qiáng)度和整體性能。尤其是在承受動態(tài)載荷或交變載荷時,應(yīng)力集中問題更為突出,可能引發(fā)疲勞破壞。(2)孔加工損傷鉆制連接孔時,容易對復(fù)合材料造成損傷,如分層、纖維斷裂等。復(fù)合材料的層間強(qiáng)度相對較低,鉆孔過程中的切削力和熱應(yīng)力可能導(dǎo)致層間分離,影響構(gòu)件的完整性和強(qiáng)度。此外,孔加工質(zhì)量的好壞也會直接影響機(jī)械連接的精度和可靠性。(二)膠接1.工藝原理膠接是利用膠粘劑將復(fù)合材料構(gòu)件粘接在一起。膠粘劑在兩個被連接表面之間形成連續(xù)的粘接層,通過分子間的作用力傳遞載荷。膠接工藝可以實現(xiàn)平滑的連接表面,減少應(yīng)力集中,并且能夠連接形狀復(fù)雜的構(gòu)件。2.存在的問題(1)膠粘劑性能局限目前常用的膠粘劑在耐高溫、耐濕熱等性能方面存在一定局限性。在高溫環(huán)境下,膠粘劑可能發(fā)生軟化、降解,導(dǎo)致粘接強(qiáng)度下降;在濕熱條件下,膠粘劑容易吸濕,引起界面破壞和性能退化。這使得膠接工藝在一些特殊環(huán)境下的應(yīng)用受到限制,如航空發(fā)動機(jī)高溫部件附近的復(fù)合材料構(gòu)件連接。(2)膠接質(zhì)量控制困難膠接過程受多種因素影響,如膠粘劑的選擇、表面處理質(zhì)量、膠層厚度、固化工藝等。其中任何一個環(huán)節(jié)控制不當(dāng)都可能導(dǎo)致膠接質(zhì)量不穩(wěn)定,出現(xiàn)粘接不牢、氣泡、脫膠等缺陷。而且,膠接缺陷的檢測相對困難,尤其是內(nèi)部缺陷,往往需要采用無損檢測技術(shù),但目前的檢測方法在準(zhǔn)確性和效率方面仍有待提高。(三)混合連接1.工藝原理混合連接結(jié)合了機(jī)械連接和膠接的優(yōu)點,通常先進(jìn)行膠接,然后再通過機(jī)械連接件進(jìn)行輔助加固。這樣可以在一定程度上減少應(yīng)力集中,提高連接強(qiáng)度和可靠性,同時利用膠接的密封性能和良好的載荷分布特性。2.存在的問題(1)工藝復(fù)雜性增加混合連接涉及到兩種不同工藝的操作和協(xié)調(diào),增加了工藝的復(fù)雜性和成本。在膠接和機(jī)械連接的順序、參數(shù)匹配等方面需要進(jìn)行精細(xì)控制,否則可能導(dǎo)致連接效果不佳。例如,膠接未完全固化就進(jìn)行機(jī)械連接,可能會破壞膠層結(jié)構(gòu);而機(jī)械連接的預(yù)緊力過大則可能使膠層產(chǎn)生過大的應(yīng)力。(2)兼容性問題機(jī)械連接和膠接在材料和結(jié)構(gòu)上的兼容性需要考慮。不同的材料組合和連接方式可能會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)不匹配等問題,影響連接的長期穩(wěn)定性和耐久性。三、復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝改進(jìn)措施針對上述復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝存在的問題,需要從多個方面采取改進(jìn)措施,以提高連接質(zhì)量和性能,推動復(fù)合材料構(gòu)件在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。(一)優(yōu)化機(jī)械連接工藝1.孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計采用特殊的孔結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效減輕應(yīng)力集中問題。例如,設(shè)計橢圓形孔、帶圓角的孔或采用孔邊加強(qiáng)措施,如增加金屬襯套等。橢圓形孔可以使應(yīng)力分布更加均勻,減少應(yīng)力集中系數(shù);帶圓角的孔能夠降低孔邊緣的應(yīng)力峰值;金屬襯套則可以增強(qiáng)孔壁的承載能力,防止復(fù)合材料孔壁在連接過程中受損。通過有限元分析等手段,對不同孔結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行模擬和優(yōu)化,確定最適合的孔結(jié)構(gòu)形式。2.改進(jìn)鉆孔工藝開發(fā)先進(jìn)的鉆孔技術(shù)和刀具,減少鉆孔過程中對復(fù)合材料的損傷。例如,采用超聲振動輔助鉆孔技術(shù),超聲振動可以使切削力周期性變化,降低切削力的平均值,減少分層和纖維斷裂的風(fēng)險。同時,優(yōu)化刀具的幾何形狀和切削參數(shù),如選擇合適的刀具前角、后角、切削速度和進(jìn)給量等,提高鉆孔質(zhì)量。另外,采用冷卻潤滑技術(shù),如低溫冷風(fēng)冷卻或微量潤滑技術(shù),可以降低鉆孔過程中的溫度,減少熱應(yīng)力對復(fù)合材料的影響。(二)提升膠接工藝性能1.開發(fā)高性能膠粘劑研發(fā)耐高溫、耐濕熱、高強(qiáng)度的膠粘劑是解決膠接工藝性能局限的關(guān)鍵。通過改進(jìn)膠粘劑的配方和合成工藝,引入新型耐高溫樹脂基體和增強(qiáng)填料,提高膠粘劑的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。例如,納米材料的添加可以增強(qiáng)膠粘劑的界面結(jié)合力,提高其耐高溫和耐濕熱性能。同時,對膠粘劑的固化機(jī)理進(jìn)行深入研究,優(yōu)化固化工藝參數(shù),確保膠粘劑在不同使用環(huán)境下都能達(dá)到最佳性能。2.加強(qiáng)膠接質(zhì)量控制建立完善的膠接質(zhì)量控制體系,從膠粘劑的選擇、表面處理、膠接過程監(jiān)控到膠接質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面管理。在表面處理方面,采用更加有效的表面處理方法,如等離子體處理、激光處理等,提高復(fù)合材料表面的活性和粗糙度,增強(qiáng)膠粘劑與復(fù)合材料表面的粘接強(qiáng)度。在膠接過程中,利用傳感器技術(shù)實時監(jiān)測膠層的厚度、固化程度等參數(shù),及時調(diào)整工藝參數(shù),確保膠接質(zhì)量的一致性。對于膠接質(zhì)量檢測,發(fā)展更加精準(zhǔn)、高效的無損檢測技術(shù),如超聲波相控陣檢測、激光全息檢測等,提高缺陷檢測的準(zhǔn)確性和靈敏度,實現(xiàn)對膠接質(zhì)量的全面評估。(三)改進(jìn)混合連接工藝1.工藝參數(shù)優(yōu)化深入研究混合連接中膠接和機(jī)械連接工藝參數(shù)的相互影響關(guān)系,通過實驗和模擬優(yōu)化工藝參數(shù)組合。確定最佳的膠接固化時間、溫度與機(jī)械連接預(yù)緊力、擰緊扭矩等參數(shù)的匹配關(guān)系,使混合連接既能充分發(fā)揮膠接的優(yōu)點,又能保證機(jī)械連接的可靠性。例如,在膠接固化過程中,可以適當(dāng)施加一定的預(yù)壓力,促進(jìn)膠粘劑的流動和填充,提高膠接質(zhì)量,同時避免過大壓力對膠層造成損傷;在機(jī)械連接時,根據(jù)膠接層的強(qiáng)度和彈性模量,合理選擇連接件的尺寸和材料,優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)。2.解決兼容性問題針對混合連接中的材料和結(jié)構(gòu)兼容性問題,采取相應(yīng)的措施。在材料選擇方面,選擇電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬連接件和復(fù)合材料,或?qū)饘龠B接件進(jìn)行表面處理,如鍍鋅、鍍鉻等,防止電化學(xué)腐蝕。對于熱膨脹系數(shù)不匹配問題,可以在設(shè)計連接結(jié)構(gòu)時預(yù)留一定的變形空間,或采用彈性模量較低的膠粘劑來緩沖熱應(yīng)力。此外,通過有限元分析等方法對混合連接結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析,預(yù)測可能出現(xiàn)的問題,并提前采取改進(jìn)措施。通過對復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝的不斷改進(jìn)和優(yōu)化,可以提高復(fù)合材料構(gòu)件的連接質(zhì)量和性能,拓展其應(yīng)用范圍,為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展提供更加強(qiáng)有力的支持。在未來的研究和實踐中,還需要進(jìn)一步探索新的連接技術(shù)和方法,加強(qiáng)不同學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合,不斷推動復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝的創(chuàng)新發(fā)展。復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝改進(jìn)四、新型連接技術(shù)探索(一)焊接技術(shù)在復(fù)合材料連接中的應(yīng)用1.激光焊接激光焊接作為一種高精度、高能量密度的焊接方法,在復(fù)合材料連接方面展現(xiàn)出一定潛力。其原理是利用高能量密度的激光束聚焦在復(fù)合材料連接部位,使材料迅速熔化并形成連接。對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,激光能夠精確控制能量輸入,減少對纖維和基體的熱損傷,同時實現(xiàn)快速焊接,提高生產(chǎn)效率。然而,激光焊接也面臨挑戰(zhàn),如復(fù)合材料對激光的吸收率較低,需要對表面進(jìn)行特殊處理以提高能量耦合效率;焊接過程中的熱應(yīng)力容易導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋和變形,需要精確控制焊接參數(shù)和采用合適的焊接工藝。2.攪拌摩擦焊接攪拌摩擦焊接是一種固相焊接技術(shù),通過攪拌頭在復(fù)合材料連接界面旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生熱量,使材料軟化并在壓力作用下形成連接。該方法無需填充材料,焊接過程中溫度相對較低,能夠有效避免復(fù)合材料中易揮發(fā)成分的損失和熱損傷。在連接異種復(fù)合材料或復(fù)合材料與金屬材料時,攪拌摩擦焊接可以通過優(yōu)化攪拌頭形狀和焊接參數(shù),實現(xiàn)良好的界面結(jié)合。不過,攪拌摩擦焊接對于復(fù)雜形狀構(gòu)件的適應(yīng)性有待提高,且焊接過程中的軸向力較大,對設(shè)備和工裝要求較高。(二)智能連接技術(shù)的發(fā)展趨勢1.自適應(yīng)連接技術(shù)隨著自動化和智能化技術(shù)的發(fā)展,自適應(yīng)連接技術(shù)逐漸興起。這種技術(shù)利用傳感器實時監(jiān)測復(fù)合材料構(gòu)件在連接過程中的狀態(tài),如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等,然后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)整連接工藝參數(shù),確保連接質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。例如,在膠接過程中,通過傳感器監(jiān)測膠層的固化反應(yīng),實時調(diào)整固化溫度和時間;在機(jī)械連接時,根據(jù)孔壁應(yīng)力情況自動調(diào)整連接件的預(yù)緊力。自適應(yīng)連接技術(shù)可以提高生產(chǎn)效率,減少人為因素對連接質(zhì)量的影響,適用于大規(guī)模、高精度的復(fù)合材料構(gòu)件組裝生產(chǎn)。2.納米連接技術(shù)納米技術(shù)的應(yīng)用為復(fù)合材料連接帶來了新的思路。納米連接技術(shù)旨在利用納米尺度的材料和現(xiàn)象來實現(xiàn)更優(yōu)異的連接性能。例如,通過在膠粘劑中添加納米粒子,可以改善膠粘劑的流變性能、增強(qiáng)界面結(jié)合力,提高膠接強(qiáng)度和耐久性。此外,納米材料還可以用于制備新型的連接界面涂層,增強(qiáng)復(fù)合材料與連接件之間的相互作用。納米連接技術(shù)尚處于研究階段,面臨著納米材料制備成本高、分散性差、與復(fù)合材料基體的兼容性等問題,但隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展,有望為復(fù)合材料連接提供創(chuàng)新解決方案。五、工藝改進(jìn)對復(fù)合材料構(gòu)件性能的影響(一)力學(xué)性能提升1.強(qiáng)度增強(qiáng)通過優(yōu)化連接工藝,如改進(jìn)機(jī)械連接的孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高膠接質(zhì)量等,可以顯著提高復(fù)合材料構(gòu)件的連接強(qiáng)度。在機(jī)械連接中,合理的孔結(jié)構(gòu)和連接件選擇能夠使載荷更均勻地分布在連接部位,減少應(yīng)力集中導(dǎo)致的局部破壞,從而提高整體結(jié)構(gòu)的承載能力。膠接工藝的改進(jìn)則可以增強(qiáng)粘接界面的結(jié)合強(qiáng)度,使復(fù)合材料構(gòu)件在承受拉伸、剪切等載荷時,膠層能夠更有效地傳遞應(yīng)力,避免過早失效。例如,采用高性能膠粘劑和優(yōu)化的膠接工藝后,復(fù)合材料膠接接頭的剪切強(qiáng)度可提高30%以上。2.剛度改善連接工藝的改進(jìn)對復(fù)合材料構(gòu)件的剛度也有積極影響。在機(jī)械連接中,精確的孔加工和合適的連接件預(yù)緊力可以減少連接部位的間隙和變形,提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。膠接工藝中,均勻的膠層厚度和良好的界面結(jié)合能夠使復(fù)合材料構(gòu)件在受力時更好地協(xié)同工作,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗變形能力。對于混合連接,通過優(yōu)化工藝參數(shù),使其在發(fā)揮膠接良好剛度特性的同時,借助機(jī)械連接的增強(qiáng)作用,進(jìn)一步提升構(gòu)件的剛度性能。例如,經(jīng)過工藝改進(jìn)后的復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu),其彎曲剛度可提高20%-25%。(二)耐久性增強(qiáng)1.耐疲勞性能復(fù)合材料構(gòu)件在實際使用中常承受交變載荷,連接部位是疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)。優(yōu)化后的連接工藝可以降低連接部位的應(yīng)力集中,減少疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。例如,采用特殊孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的機(jī)械連接,其疲勞壽命可比傳統(tǒng)連接方式提高2-3倍。膠接工藝中,提高膠粘劑的韌性和耐久性,以及加強(qiáng)膠接質(zhì)量控制,能夠有效延緩膠層在交變載荷下的開裂和脫粘,顯著提高復(fù)合材料構(gòu)件的耐疲勞性能。2.耐環(huán)境性能在惡劣環(huán)境條件下,如高溫、高濕、化學(xué)腐蝕等,復(fù)合材料構(gòu)件的連接性能容易受到影響。工藝改進(jìn)措施,如開發(fā)耐高溫膠粘劑、對連接部位進(jìn)行防護(hù)處理等,可以增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的耐環(huán)境性能。對于在海洋環(huán)境中使用的復(fù)合材料構(gòu)件,改進(jìn)后的連接工藝能夠提高其抗海水腐蝕能力,延長使用壽命。在航空航天領(lǐng)域,經(jīng)過工藝改進(jìn)的復(fù)合材料構(gòu)件在高溫、輻射等極端環(huán)境下的性能穩(wěn)定性得到提升,確保了飛行器等設(shè)備的長期可靠運(yùn)行。六、工藝改進(jìn)的實施與挑戰(zhàn)(一)實施策略1.技術(shù)研發(fā)與合作企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)加大對復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝改進(jìn)技術(shù)的研發(fā)投入,建立產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制。通過合作,整合各方資源,加速新型連接技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。例如,高校和科研院所可以開展基礎(chǔ)理論研究,為工藝改進(jìn)提供理論支持;企業(yè)則可以將研究成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)工藝,推動產(chǎn)業(yè)升級。同時,加強(qiáng)國際合作與交流,引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗,促進(jìn)我國復(fù)合材料連接工藝水平的提高。2.人才培養(yǎng)培養(yǎng)具備復(fù)合材料知識和連接工藝技能的專業(yè)人才是工藝改進(jìn)實施的關(guān)鍵。高校和職業(yè)院校應(yīng)開設(shè)相關(guān)專業(yè)課程,注重理論教學(xué)與實踐操作相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)員工培訓(xùn),提高員工對新工藝、新技術(shù)的掌握程度,鼓勵員工參與技術(shù)創(chuàng)新活動。此外,建立人才激勵機(jī)制,吸引和留住優(yōu)秀人才,為復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝改進(jìn)提供人才保障。(二)面臨的挑戰(zhàn)1.成本控制工藝改進(jìn)往往伴隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用,這可能導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。例如,新型膠粘劑的研發(fā)和生產(chǎn)、先進(jìn)連接設(shè)備的購置和維護(hù)等都需要投入大量資金。在市場競爭激烈的情況下,如何在提高連接質(zhì)量和性能的同時,有效控制成本,是企業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。需要通過優(yōu)化工藝流程、提高生產(chǎn)效率、降低原材料消耗等措施來降低成本,使工藝改進(jìn)后的復(fù)合材料構(gòu)件在市場上具有競爭力。2.標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范目前,復(fù)合材料構(gòu)件組裝連接工藝缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,不同企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)采用的工藝方法和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)差異較大。這給復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量一致性和互換性帶來困難,也限制了行業(yè)的規(guī)?;l(fā)展。建立健全復(fù)合材料連接工藝的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系,明確工藝要求、質(zhì)

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