智能復(fù)合材料

1、智能復(fù)合材料智能復(fù)合材料課程論文智能復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)(Research status and development trend of intelligent composite materials)學(xué)院名稱(chēng)： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 復(fù)合材料1102 學(xué)生姓名： 不知道 學(xué) 號(hào)： 31107056541 指導(dǎo)教師： 陳貝貝 智能復(fù)合材料智能復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)摘要：智能復(fù)合材料是一類(lèi)基于仿生學(xué)概念發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)材料，它實(shí)際上是集成了傳感器、信息處理器和功能驅(qū)動(dòng)器的新型復(fù)合材料。本文介紹了幾種常見(jiàn)的智能復(fù)合材料及其研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞: 智能復(fù)合材料；形狀記憶合金；

2、壓電智能復(fù)合材料；電/磁流變體智能復(fù)合材料；纖維素智能復(fù)合材料；光導(dǎo)纖維智能復(fù)合材料Research status and development trend of intelligent composite materialsAbstract: the intelligent composite material is a kind of high-tech materials based on bionics concept developed, it is actually integrated model composite sensor, information processor

3、and the function driver. This paper introduces several common intelligent composite material and its research status. Keywords: intelligent composite material; shape memory alloy; piezoelectric smart composite materials; electric / magnetic fluids of intelligent composite materials; cellulose smart

4、composite materials; optical fiber intelligent composite material1 前言智能材料的興起在材料科學(xué)引發(fā)了一個(gè)新的革命，智能材料就是指具有感知環(huán)境(包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境)刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。智能材料特別之處，就是它擁有像生物一樣能感應(yīng)附近的環(huán)境并做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)的特性1,2。換句話說(shuō)，智能材料能因應(yīng)外界的刺激而改變自己，或者會(huì)產(chǎn)生某種訊息。如能運(yùn)用適宜，以智能材料所做的一個(gè)零件可以取代一些復(fù)雜系統(tǒng)的幾個(gè)環(huán)節(jié)(例如負(fù)責(zé)感覺(jué)及反應(yīng)的部分)，從而大大減低了系統(tǒng)的大小及復(fù)雜性3-9。智能

5、材料可以簡(jiǎn)單分成被動(dòng)和主動(dòng)兩種。被動(dòng)智能材料在沒(méi)有經(jīng)過(guò)訊息分析的情況下或想也不想便會(huì)自動(dòng)作出反應(yīng)； 而主動(dòng)智能材料會(huì)分析接收到的訊息后才決定做出什么反應(yīng)。智能材料的構(gòu)想來(lái)源于仿生(仿生就是模仿大自然中生物的一些獨(dú)特功能制造人類(lèi)使用的工具，如模仿蜻蜓制造飛機(jī)等)，它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類(lèi)似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知，驅(qū)動(dòng)和控制這三個(gè)基本要素。但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿(mǎn)足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計(jì)，制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材

6、料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向10-14。智能復(fù)合材料是一類(lèi)基于仿生學(xué)概念發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)材料，它實(shí)際上是集成了傳感器、信息處理器和功能驅(qū)動(dòng)器的新型復(fù)合材料。其通過(guò)傳感器感知內(nèi)外環(huán)境狀態(tài)的變化，將變化所產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)信息處理器做出判斷處理，并發(fā)出指令，而后通過(guò)功能驅(qū)動(dòng)器調(diào)整材料的各種狀態(tài)，以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自調(diào)節(jié)、自恢復(fù)、自我保護(hù)等多種特殊功能，類(lèi)似于生物系統(tǒng)。智能復(fù)合材料是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與材料科學(xué)交叉的產(chǎn)物，在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，2 智能復(fù)合材料的構(gòu)成(1)基體材料 基體材料主要起承受載荷的作用,一般選用輕質(zhì)材料,其中高分子材料因重量輕、

7、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的重視。也可選用金屬材料,尤其以輕質(zhì)有色合金為主。(2)傳感器部分傳感器部分由具有感知能力的敏感材料構(gòu)成。它的主要作用是感知環(huán)境的變化,如溫度、壓力、應(yīng)力、電磁場(chǎng)等,并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)。這種材料目前有形狀記憶合金、壓電材料、光纖、磁致伸縮材料、PH致伸縮材料、電致變色材料、電致粘流體、磁致粘流體、液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金等。(3)驅(qū)動(dòng)器部分構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器部分的驅(qū)動(dòng)材料在一定的條件下可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力,從而起到響應(yīng)和控制的作用。如形狀記憶合金、磁致伸縮材料、PH致伸縮材料、電致伸縮材料等。(4)信息處理器部分信息處理器部分是智能復(fù)合材料的最核心部分。隨著高度

8、集成的硅晶技術(shù)的發(fā)展,信息處理器也變得越來(lái)越小,這就為將信息處理器復(fù)合進(jìn)智能復(fù)合材料提供了良好的條件。 智能復(fù)合材料在功能結(jié)構(gòu)上雖然可以分為以4大部分,但是它并不是這4部分的簡(jiǎn)單疊加,而是它們的有機(jī)結(jié)合。制取智能復(fù)合材料時(shí)在工藝上需要解決很多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題,不僅要在宏觀上進(jìn)行尺寸和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制,而且更要在微觀(至納米級(jí)、分子乃至原子的尺寸)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與復(fù)合15 。智能復(fù)合材料設(shè)計(jì)方法(1) 根據(jù)智能復(fù)合材料的應(yīng)用和目標(biāo),提出智能復(fù)合材料的系統(tǒng)智能特性；(2) 選擇基體材料和傳感器部分、處理器部分、驅(qū)動(dòng)器部分的機(jī)敏材料；(3) 從宏觀上和微觀上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(4) 建立數(shù)學(xué)和力學(xué)模型,對(duì)

9、智能復(fù)合材料系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化；(5) 進(jìn)行理化測(cè)試,檢驗(yàn)材料的功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展和在生產(chǎn)實(shí)際中的廣泛應(yīng)用,智能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)也可應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。3 智能復(fù)合材料3.1 智能復(fù)合材料的分類(lèi)“智能復(fù)合材料”這個(gè)名詞源于歐美的smart material(聰明材料)，active and adaptive material(主動(dòng)適應(yīng)性材料)及日本的intelligent material(智能材料)。智能復(fù)合材料的概念來(lái)自于自然界生物的生理本能，這些生理本能包括自行診斷能力、自行修復(fù)能力、學(xué)習(xí)能力和適應(yīng)環(huán)境的能力等。智能復(fù)合材料就是讓復(fù)合材料具備上述生物生理本能的機(jī)能。凡是導(dǎo)人特殊

10、功能位元于復(fù)合材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，以感知或分析復(fù)合材料外在環(huán)境所產(chǎn)生的整體變化，都是智能復(fù)合材料的應(yīng)用范疇。智能復(fù)合材料可作如下分類(lèi): 3.2 形狀記憶合金(SMA) 智能復(fù)合材料形狀記憶復(fù)合材料是通過(guò)將形狀記憶材料置于復(fù)合材料中，利用形狀記憶材料的形狀記憶效應(yīng)、偽彈性和高阻尼能力等來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料功能的一種智能復(fù)合材料。當(dāng)這種智能材料在外界條件變化(如溫度、光、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、pH值)使得材料的形狀發(fā)生改變時(shí)，只要將外界條件恢復(fù)到初始狀態(tài)，材料的形狀就可以自行恢復(fù)。目前形狀記憶材料主要有形狀記憶合金(SMA)和形狀記憶聚合物(SMP)。SMA是一種特殊的金屬材料，它包括鎳鈦( Ni-Ti)合金、鎳鈦

11、銅(Ni-Ti-Cu)合金和銅鋅鋁(Cu-Zn-Al)合金等，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和控制方便等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn);SMP具備了重量輕、成本低、良好的加工性能、形狀變形大、適宜的轉(zhuǎn)變溫度和高達(dá)100%的大回復(fù)變形等優(yōu)點(diǎn)。Neuss Sabine等人16使用形狀記憶聚合物聚（-已內(nèi)酯)甲基丙烯酸酷( PCLDMA)作為組織工程支架，并顯示良好的應(yīng)用效果。Morita Takeshi17把一種磁致伸縮材料應(yīng)用到形狀記憶壓電制動(dòng)器上，在65V的正、負(fù)脈沖電壓下，使此復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了磁導(dǎo)率記憶效應(yīng)(磁力記憶值達(dá)到9.3mN)。Ni Qing-Qing等人18把Ni-Ti形狀記憶合金短纖維分散到環(huán)氧樹(shù)脂基體中，在

12、形狀記憶材料的相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高效阻尼特性，當(dāng)加人3.5wt%的SMA纖維，可使復(fù)合材料達(dá)到最大的固有頻率(14Hz左右)和儲(chǔ)能模量。3.3 壓電智能復(fù)合材料19壓電智能復(fù)合材料是指在基體材料中埋人壓電材料發(fā)展起來(lái)的一種功能材料。壓電材料具有壓電效應(yīng)，在材料上施加機(jī)械力應(yīng)力時(shí)，材料的某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為正壓電效應(yīng)，反之稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。壓電功能材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，其壓電效應(yīng)隨環(huán)境溫度、振動(dòng)頻率等變化不大，可以有效提高材料的穩(wěn)定性，也為能量消耗提供了新的途徑。因其具有高帶寬、高輸出能力、尺寸緊湊和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于智能傳感器和制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材

13、料的阻尼降噪、減少應(yīng)力集中、延長(zhǎng)疲勞壽命、減振、監(jiān)控材料狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)材料自適應(yīng)等功能。Van den Ende DA等人20利用錯(cuò)欽酸鉛(PZT)與尼龍6(PA6)和一種熱固性高分子液晶( LCT)復(fù)合，制作了一種開(kāi)關(guān)式準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器。巴西的Walter Katsumi Sakamoto等人21將改性欽酸鉛鐵電陶瓷粉末和聚醚醚酮高性能樹(shù)脂復(fù)合，安裝在一個(gè)鋁制面板上，此壓電復(fù)合膜可以作為聲波發(fā)射檢測(cè)工具。通常使用的壓電材料都存在一些缺點(diǎn)，如壓電陶瓷的脆性大、極限應(yīng)變小、密度高;而壓電薄膜則使用溫度低、壓電常數(shù)不高、與基體相容性差。為了使壓電材料能夠適應(yīng)智能材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在未來(lái)的研究工作中，對(duì)壓

14、電智能復(fù)合材料性能的增強(qiáng)、加工性能的改善和材料使用溫度范圍的拓寬等問(wèn)題還需進(jìn)一步探索與研究，相信壓電智能復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤脐惓鲂?、迅猛發(fā)展。3.4 電/磁流變體智能復(fù)合材料 電/磁流變體智能復(fù)合材料是一種重要的智能復(fù)合材料，其主要由磁流變體(MR)和電流變體(ER)構(gòu)成。兩者都是軟顆粒的懸濁液，在強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生流變效應(yīng)，分散體系的粘度、模量和屈服應(yīng)力等發(fā)生突變，從液態(tài)變成半固態(tài)或者固態(tài)，移除磁場(chǎng)或電場(chǎng)后，恢復(fù)到原來(lái)的液態(tài)22。Song KangHyun等23將磁性碳基鐵(carbonyl iron , CI)納米添加劑加人到磁流變體懸浮液中，以提高其沉降穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，

15、納米添加劑加人不僅解決了普通純CI磁流變體的嚴(yán)重沉降問(wèn)題，還能在較寬剪切速率范圍維持一個(gè)穩(wěn)定的剪切應(yīng)力。Vasudevan Rajamohan等人24探究了一種三明治夾層的磁流變體材料，其上下層為彈性體，中間夾雜了磁流變體。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其自然頻率隨著外加磁場(chǎng)的增大而增大，最大撓度卻減少，證明了此材料有震動(dòng)抑制能力。Fuchs Alan等人25制備了一種可壓縮磁流變體，通過(guò)加人一種彈性體來(lái)使磁流變體獲得了可控的壓縮性。3.5 纖維素智能復(fù)合材料 纖維素智能復(fù)合材料是一種重要的智能復(fù)合材料。纖維素在物理刺激(如熱、光、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、力場(chǎng)、X射線等)和化學(xué)刺激(如pH、各種化學(xué)物質(zhì)和生物物質(zhì))下發(fā)生一

16、定的響應(yīng)性，如形狀、大小等性質(zhì)的素(cellulose)是天然高分子材料，具有價(jià)廉、可降解性、與生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。纖維素及其復(fù)合材料可以用作涂層、薄板制品、光學(xué)薄膜、醫(yī)藥品和紡織品等一系列可降解產(chǎn)品。 Auad MarLa L等26制備了一種新型的形狀記憶聚氨酷，他們把納米纖維素添加到聚氨酷基體中，獲得了較高的拉伸模量和強(qiáng)度(1Wt%的纖維素能提高53%的模量)，改善了普通形狀記憶材料硬度低的缺點(diǎn)。Kalidindi Sanjay等研究了在交流電場(chǎng)作用下，纖維素晶須在硅油中可發(fā)生取向排列，將這種纖維素晶須添加到聚合物基體中可制備納米復(fù)合材料，有望提高材料的電性能和力學(xué)性能。3.6 光導(dǎo)纖維智

17、能復(fù)合材料光纖智能復(fù)合材料27是目前國(guó)內(nèi)外研究較多的一種智能材料結(jié)構(gòu)，它將光纖傳感器和驅(qū)動(dòng)器以及有關(guān)信號(hào)處理器和控制電路集成在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，通過(guò)機(jī)、光、電、熱等激勵(lì)和控制，不僅具有承受載荷的能力，而且具有識(shí)別、分析、處理及控制等多種功能，能進(jìn)行自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自修復(fù)的材料結(jié)構(gòu)。將光纖進(jìn)行處理后埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，可以對(duì)復(fù)合材料在制作過(guò)程中的內(nèi)部溫度的變化以及樹(shù)脂填充情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在結(jié)構(gòu)制作完成后，埋置于其中的光纖可以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破損檢測(cè)，還可以作為永久的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)終生健康監(jiān)測(cè)，另外光纖傳感器還可用于飛行器隱形。3.7 碳纖維增強(qiáng)智能復(fù)合材料該復(fù)合材料較多地出現(xiàn)在

18、水泥基材料中。將定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入水泥基材料中，不僅材料的強(qiáng)度得到提高且具有應(yīng)力、應(yīng)變和損傷自檢測(cè)功能。此外將切短的碳纖維適量摻入水泥材料還將使其具有熱電效應(yīng)，即：溫差電動(dòng)勢(shì)E與溫差A(yù)t之間在最高溫度為70、最大溫差為50的范圍內(nèi)存在穩(wěn)定的線性關(guān)系。利用這種特性該種水泥材料可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)外和路面表層、底層的溫度變化。此效應(yīng)還可利用太陽(yáng)能和室內(nèi)溫差為建筑物提供電能，即具有溫度自調(diào)節(jié)功能。 碳纖維復(fù)合材料在體育器材28上的碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度愈高，構(gòu)件自重愈??；比模量愈高，構(gòu)件的剛度愈大，因此充分利用碳纖維復(fù)合材料的特性，可提升諸多體育項(xiàng)目的成績(jī)。采用碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP

19、)加固混凝土結(jié)構(gòu)29是一種新型、簡(jiǎn)便、高效的加固、修復(fù)和改造技術(shù)。它是將具有高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量的碳纖維材料利用高性能環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)膠粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)表面，使碳纖維材料與原混凝土結(jié)構(gòu)形成整體，從而增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力30，以保證CFRP和混凝土結(jié)構(gòu)表面有可靠的粘結(jié)顯得尤為重要。預(yù)埋在鋼筋混凝土中的智能骨料作為作動(dòng)器激發(fā)掃頻波，并將粘貼在碳纖維表面的PZT片作為傳感器接收信號(hào)，通過(guò)對(duì)接收的信號(hào)分別進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，可以看出信號(hào)在經(jīng)過(guò)不同表面的人工模擬剝離損傷時(shí)，信號(hào)能量衰減變大，幅值減??；進(jìn)一步利用小波包分析，根據(jù)定義的兩個(gè)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)差異更加明顯，從而確定了剝離損傷的位置和損傷程

20、度，也為碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剝離損傷的無(wú)損傷檢測(cè)提供一種簡(jiǎn)單有效地方法31。4 智能復(fù)合材料的制備工藝方法目前,在國(guó)內(nèi)外,智能復(fù)合材料的合成方法有以下幾種32。4.1 粒子復(fù)合將具有不同功能的材料顆粒按特定的方式進(jìn)行組裝,可構(gòu)制出具有多種功能特性的智能復(fù)合材料。如在特定的褊襯底上,通過(guò)電子束掃描產(chǎn)生電子氣化花樣,在電子靜電引力的作用下,帶電的顆粒就會(huì)排列成設(shè)計(jì)的花樣33,如在CaTiO3的襯底上,用電子束掃描法可將SiO2粉末粒子組成各種花樣。這一技術(shù)可使微粒組裝成多功能式的智能復(fù)合材料。將一種機(jī)敏材料的顆粒復(fù)合在異質(zhì)基體中也獲得優(yōu)化的智能復(fù)合材料。例如壓電陶瓷和壓電高分子以不同連接度復(fù)合

21、,可獲得性能優(yōu)異的壓電智能復(fù)合材料;將壓電陶瓷顆粒彌散分布在壓電聚合物中可制得大面積的各種形狀的壓電薄膜4.2 薄膜復(fù)合薄膜生長(zhǎng)及合成技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快,制備超晶格量子阱超薄層材料已成為可能。如分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)化合物分解、化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、原子層外延(ALE)、化學(xué)束處延(CBE)和遷移增強(qiáng)層外延(MEE)等多種技術(shù),為制備納米級(jí)的多層功能智能復(fù)合材料創(chuàng)造了條件。將2種或多種機(jī)敏材料以多層微米級(jí)的薄膜復(fù)合可獲得優(yōu)化的多功能特性材料,如將鐵彈性的形狀記憶合金與鐵磁或電驅(qū)動(dòng)材料復(fù)合,把熱驅(qū)動(dòng)方式變成電或磁的驅(qū)動(dòng)方式,可拓寬響應(yīng)頻率范圍,提高響應(yīng)速度。4.3 納米級(jí)及分子復(fù)合

22、將具有光敏、壓敏、熱敏等各種不同功能的納米粒子復(fù)合在多孔道的骨架內(nèi),可靈活地調(diào)控納米粒大小、納米粒之間及其與骨架之間的相互作用,具有很好的可操作性,能得到兼有光控、壓控、熱控以及其他響應(yīng)性質(zhì)的智能復(fù)合材料:如在沸石分子篩中(具有納米級(jí)空籠和孔道)組裝半導(dǎo)體納米材料(如ZnS、PDS)可做光電控元件,組裝納米光學(xué)材料(AgCl、AgBr),可做光控元件。5 結(jié)語(yǔ)目前，世界上許多國(guó)家都已展開(kāi)對(duì)智能材料的研究，智能復(fù)合材料作為復(fù)合材料方向的一個(gè)重要分支，結(jié)合了有機(jī)和物理化學(xué)、材料科學(xué)、生物化學(xué)及電氣和機(jī)械工程等眾多學(xué)科，賦予了材料“生命”特征，在眾多領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景，但現(xiàn)有研究還存在材料間的

23、相容性、制造工藝等問(wèn)題，制約了其大規(guī)模應(yīng)用。智能復(fù)合材料是高技術(shù)的綜合，其發(fā)展將全面提高材料的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用水平。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的智能化將顯著降低工藝成本，提高服役可靠性與使用效率，拓展復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，這是智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)向應(yīng)用轉(zhuǎn)化的最佳途徑之一。我們相信，在不久的將來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，世界各國(guó)對(duì)智能復(fù)合材料的積極研究和探索，定將全面提高其設(shè)計(jì)與應(yīng)用水平。參考文獻(xiàn)1 Lendlein A，Jiang H，Junger 0 and Langer R 2005 Light-induced shape memory polymers Nature(London)434 879-82.2 Leng

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