CN111607793A - 一种剃须刀片超薄碳膜层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剃须刀片超薄碳膜层材料及其制备方法,属于膜层材料制备技术领域。所述膜层材料为五层复合结构,基体层为剃须刀片韧部,中间过渡层依次为金属打底层、金属掺杂类金刚石膜层和类金刚石膜层,表层为聚四氟乙烯涂层;其中,金属打底层和金属掺杂类金刚石膜层为以金属靶为阴极,利用磁过滤在基体上沉积而得;类金刚石膜层为以碳靶为阴极,利用磁过滤在金属掺杂类金刚石膜层上沉积制得;而聚四氟乙烯涂层则利用热喷涂技术在DLC外层喷涂聚四氟乙烯得到。本发明选用磁过滤沉积制备超薄碳膜层材料,以提高碳膜和基体的结合强度及膜层硬度,不仅制备工艺简便,而且所述剃须刀片超薄碳膜具有结构致密、使用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明属于膜层材料制备技术领域,公开了一种剃须刀片超薄碳膜层材料,并涉及所述剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,即一种剃须刀片沉积超薄碳膜的方法。
背景技术
剃须刀作为现代人的日常生活用品,其主要性能要求为舒服且寿命长。自从1903年美国K.L吉禾U(Gillette)发明了保安剃须刀片和刀架以来,无论在刀片和刀架的结构上,或者在材料及其加工工艺上都得到了不断地提高和改进。双面刀片已成为人们日常生活用品,目前全世界的刀片产量约达200亿片。
剃须刀片一般由基片材料如不锈钢或陶瓷等制成,而刃口处有一棱边。在使用期间,剃须刀片以大约25度的角度安装在剃刀中,并通过刃口与皮肤接触,它移过脸部时刃口碰到胡须,在楔入动作的帮助下,刃口就逐渐穿透胡须并将其切断。因为剃须刀片刃口薄、硬度低,在刮胡子时容易发生崩缺和损伤大大影响其寿命。
为改善剃须刀片的使用性能及延长刀片的使用寿命,通常在剃须刀片上沉积碳膜。目前碳膜主要采用化学气相沉积法(CVD),在CVD方法中提高碳基膜层厚度减小内应力以及提高沉积速率的主要方式是提高含碳气体的进气量以及通入杂质气体(现掺杂的元素多为非金属元素,有极少种类的含金属元素的气体)。在碳基膜层沉积不仅对基体温度要求高,还因气体的增加而致真空室污染;在应力改善方面,虽然金属元素的掺杂利于释放膜层本身应力,但其局限于含金属气体种类少,且含金属气体不易操作,安全系数偏低。此外磁控溅射沉积的碳膜不仅硬度低(一般在1000-3000HV),还结合强度差,不适于市面推广与应用。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是针对现有技术中存在的问题,提供一种剃须刀片超薄碳膜层材料及其制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种剃须刀片超薄碳膜层材料,所述膜层材料为五层复合结构,基体为剃须刀片韧部,中间过渡层依次为金属打底层、金属掺杂类金刚石膜层和类金刚石膜层,表层为聚四氟乙烯涂层;其中,
所述金属打底层和所述金属掺杂类金刚石膜层为以金属靶为阴极,利用90度磁过滤在所述基体层上沉积而得;
所述类金刚石膜层为以碳靶为阴极,利用90度磁过滤在所述金属掺杂类金刚石膜层上沉积制得;
所述聚四氟乙烯涂层则利用热喷涂技术在所述类金刚石膜层上喷涂聚四氟乙烯而得。
需要说明的是,所述金属打底层、金属掺杂类金刚石膜层和类金刚石膜层具体沉积物质元素为Ti、Cr、Zr等。
针对现有技术存在的上述技术问题,本发明选用DLC膜具有良好的化学稳定性,可防止酸碱及有机溶液侵蚀,而且DLC膜具有低温沉积的优点,可防止薄膜沉积时工件发生变形,因此DLC膜非常适合作为化工机械部件和多种装饰件的涂层,特别是剃刀和剃须刀片上。如美国Gillette公司的DLC膜“MACH3”的剃须刀片,不仅使刀片变得更锋利,而且在剃须时不易刮伤脸面,使用更舒适,同时又可使刀片得到保护,不受腐蚀,利于清洗和长期使用。
进一步地,所述金属打底层的沉积厚度为0.1~20nm;所述金属掺杂类金刚石膜层的沉积厚度为0.1~10nm;所述类金刚石膜层的沉积厚度为0.1~10nm;所述聚四氟乙烯涂层的喷涂厚度为0.1~10μm。
本发明还请求保护上述剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,所述方法即为一种剃须刀片沉积超薄碳膜的方法,具体包括以下步骤:
I、利用金属等离子体对剃须刀片韧部基体表面进行清洗,获得粗糙度为0.01~0.2μm的基体表面,备用;
需要说明的是,本发明中金属离子束选用的是磁过滤沉积技术,利用金属起弧时产生等离子体通过磁过滤管道进入真空腔室对基体进行清洗。因为剃须刀片韧部很薄1~50μm,金属离子束能量和密度均需进行严格控制,其中等离子体密度小于1016/cm3,束流强度为100~200mA;同时在剃须刀片韧部周围设置辅助电极,使得在剃须刀基体周围电场强度差值不大于±20%。
II、在步骤(I)制备的剃须刀片韧部基体表面上,以金属靶为阴极,并利用磁过滤沉积制备金属打底层;
III、在步骤(II)制备的金属打底层上,以金属靶为阴极,并利用磁过滤沉积制备金属掺杂类金刚石膜层;
具体地,利用90度磁过滤管道,在管道内设置进气口,通入流量为50~200sccm的乙炔气体,管道内等离子体对乙炔进行电离,并通过磁过滤管道引出碳离子和金属离子,在此过程中控制碳等离子密度与金属离子密度比值在2~4之间;且引出的金属和碳混合的等离子体到剃须刀片基体进行金属掺杂膜层沉积,其中沉积膜层的厚度不大于10nm。
IV、在步骤(III)制备的金属掺杂类金刚石膜层上,以碳靶为阴极,并利用磁过滤沉积制备类金刚石膜层;
此外,在进行DLC沉积时,设置起弧电流为50~100A,真空度小于2×10-3Pa,沉积厚度为1~10nm;并对基体施加直流偏压;直流偏压的电压为100~400V,占空比为1~80%。该过程集高低占空比于一体,既能利用高压高占空比的热峰效应降低内应力以提高结合力,又能利用低高占空比提高膜层的连续性和降低因长时间高负压造成的膜层溅射现象。
同时需要说明的是,在沉积时,以上各参数相互影响,起弧电流以及基体复合偏压等因素相互配合与相互制约,在以上因素参数下复合制备的膜层沉积速率高、致密性好;且便于在晶体表面形成膜基结合力优越、膜层内应力低以及抗潮解的DLC。
V、在步骤(IV)制备的类金刚石膜层上,利用热喷涂技术喷涂聚四氟乙烯制备聚四氟乙烯涂层,以最终制得所述剃须刀片超薄碳膜层材料。
本发明利用热喷涂技术在纯DLC表面喷涂聚四氟乙烯,喷涂厚度小于10μm,喷涂后在烘箱内200℃~300℃内烘烤1~3h,且喷涂烘干后整体膜层的摩擦系数小于0.05,同时亲水角大于100°,有明显的疏水特性。
进一步的,所述步骤(I)中的金属离子束能量为1~200eV,真空室压强为2.0×10-3~5.0×10-3Pa,负压为-100~-200V,及束流强度为100~200mA。
需要说明的是,金属离子束能量不能高于200eV,若能量高于200eV可使刀片韧部会产生明显的崩缺和不可逆的损伤,以致严重影响刀片质量和寿命。
进一步地,所述步骤(II)中,磁过滤沉积时磁过滤管道中线包电流强度为1~3A,且沉积电流控制在10~100mA之间,沉积真空度为2.0×10-3~5.0×10-3Pa,沉积厚度为0.1~20nm。
此外,金属打底层的最大厚度不能大于掺杂DLC和纯DLC厚度之和;若金属打底层的厚度超过掺杂DLC和纯DLC厚度时膜层整体硬度下降,寿命明显降低。
进一步地,所述步骤(III)中,利用90度磁过滤管道,在管道内设置进气口,通入流量为50~200sccm的乙炔气体;通过磁过滤管道引出碳离子和金属离子,并控制碳等离子密度与金属离子的密度比值在2~4之间,且沉积厚度为0.1~10nm。
值得说明的是,碳等离子体密度与金属等离子体密度比值小于2时,掺杂DLC膜层过硬,内应力过大会产生剥落;而二者比值大于4时膜层沉积速度过快,很难实现10nm以内的膜层可控沉积。
进一步地,所述步骤(IV)中,利用90度磁过滤管道,通过磁过滤管道引出碳的等离子体到剃须刀片基体进行纯DLC膜层沉积,其中起弧电流为40~80A,起弧电压为15~30V,及沉积厚度为0.1~10nm。
上述技术方案产生的技术效果:纯DLC膜层的厚度需要控制在10nm以内,膜层厚度过厚会使膜层应力的增加,以最终减小刀片韧部的耐久性。
更进一步地,所述步骤(IV)还包括对所述剃须刀片韧部基体施加直流偏压;其中直流偏压的电压为100~400V,占空比为1~80%。
进一步地,所述步骤(V)中,热喷涂后对所述膜层材料进行烘干,其中烘干温度为200℃~300℃,烘干时间为1~3h。
针对上述本申请公开限定的技术方案,其相较现有技术克服了如下技术缺陷:
1、刀刃厚度1~50μm,对于沉积技术而言很难实现对刀刃的无损沉积;而DLC膜层内应力大,会对刀刃产生不可逆的损伤,如崩缺,起褶;
2、在剃须刀片韧部周围设置辅助电极,使得在剃须刀基体周围电场强度差值不大于±20%,以实现均衡化沉积;其中辅助电极为网状结构,网包围刀片,且网与刀片同电位;
3、整体膜层厚度小于40nm,而超薄膜层沉积是难点;本发明公开的超薄控制主要通过辅助电极、弧流等方式进行控制;其中,磁过滤沉积速度偏快,若采用定点沉积,合金沉积速度为100nm/min,掺杂碳沉积速度为300nm/min;然而刀刃为两面,同时还要公转和自转,以使暴露在沉积区的时间大于1min;
4、DLC超薄实现基体非完全覆盖,刀片基体本身粗糙度并不影响,因此在5s喷涂过程中容易实现对聚四氟乙烯的吸附,提高结合强度。
需要说明的是,刀片本身的粗糙度在0.1微米以上,膜层整体才40nm不能实现完整膜层的沉积;高粗糙度即高表面积有利于聚四氟乙烯的吸附;
5、非完全覆盖下纯DLC沉积难实现,且因纯DLC硬度大内应力高,其在粗糙表面沉积容易发生脱落;
因大粗糙度下,在微观范围内表面积大,边缘增多,DLC沉积在边缘处应力集中容易发生崩裂现象。
与现有技术相比,本发明公开保护的一种剃须刀片超薄碳膜层材料及其制备方法,优点在于:
1、本发明公开的制备工艺简便,通过选用磁过滤沉积制备超薄碳膜层材料,以提高碳膜和基体的结合强度及膜层硬度,且所述超薄碳膜层的硬度大于6000HV,摩擦系数大于0.11;
2、通过本发明公开方法制备的剃须刀片超薄碳膜层材料具有结构致密、使用寿命长(使剃须刀的寿命提高了3~10倍)的优点,及DLC膜层厚度更薄,厚度小于10nm,且剃须刀片可实现5万片/炉,沉积成本低。因此,本发明公开的超薄碳膜层材料及其制备方法适于市面推广与应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明制备的剃须刀片超薄碳膜层材料的结构示意图。
图2为本发明实施例1的结合强度测试图。
图3为本发明实施例2的结合强度测试图。
图4为本发明实施例3的结合强度测试图。
图5为本发明对比例2的结合强度测试图。
图6为本发明实施例与对比例的切割实验测试图(未喷涂聚四氟乙烯)。
图7为本发明实施例与对比例的切割实验测试图(喷涂聚四氟乙烯涂层)
图1中:
101为剃须刀片韧部基体,102为金属打底层,103为金属掺杂类金刚石膜层(M-DLC),104为类金刚石膜层(DLC),105为聚四氟乙烯涂层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为更好地理解本发明,下面将结合附图1,并通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述,但不可理解为对本发明的限定,对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整,也视为落在本发明的保护范围内。
实施例1:
一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,具体包括如下步骤:
S01:利用金属和气体混合等离子体对基体表面进行高低能交替清洗,获得粗糙度为0.1微米的基体表面101;其中,金属离子束离子束能量为100eV,真空室压强为2.0×10- 3Pa,负压为-100V,束流强度为100mA;
S02:以金属靶为阴极,利用90度磁过滤沉积方法在制备的剃须刀片韧部基体表面101上进行金属打底层102的沉积;其中,磁过滤沉积时磁过滤管道中线包电流强度为1A,沉积时电流为20mA,以及沉积厚度不超过5nm,沉积时真空度为2.0×10-3Pa;
S03:以金属靶为阴极,利用90度磁过滤沉积方法在制备的金属打底层102上进行金属掺杂DLC膜层103的沉积;其中,利用90度磁过滤管道,在管道内设置进气口,通入乙炔,流量为60sccm,沉积膜层的厚度不大于3nm;
S04:利用90度磁过滤管道,通过磁过滤管道引出碳的等离子体到制备的金属掺杂DLC膜层103上进行纯DLC膜层104的沉积,其中起弧电流为40A,弧压为20V,沉积膜层的厚度不大于5nm;
S05:利用热喷涂技术在制备的纯DLC膜层104上喷涂聚四氟乙烯制备聚四氟乙烯涂层105,以最终制得所述剃须刀片超薄碳膜层材料。
实施例2:
一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,具体包括如下步骤:
S01:利用金属和气体混合等离子体对基体表面进行高低能交替清洗,获得粗糙度为0.1微米的基体表面101;其中,金属离子束离子束能量为100eV,真空室压强为2.0×10- 3Pa,负压为-100V,束流强度为100mA;
S02:以金属靶为阴极,利用90度磁过滤沉积方法在制备的剃须刀片韧部基体表面101上进行金属打底层102的沉积;其中磁过滤沉积时磁过滤管道中线包电流强度为1A,沉积时电流为20mA,沉积厚度为10nm,沉积时真空度为2.0×10-3Pa;
S03:以金属靶为阴极,利用90度磁过滤沉积方法在制备的金属打底层102上进行金属掺杂DLC膜层103的沉积;其中,利用90度磁过滤管道,在管道内设置进气口,通入乙炔,流量为60sccm,沉积膜层的厚度为5nm;
S04:利用90度磁过滤管道,通过磁过滤管道引出碳的等离子体到制备的金属掺杂DLC膜层103上进行纯DLC膜层104的沉积,其中起弧电流为40A,弧压为20V,沉积膜层的厚度为8nm;
S05:利用热喷涂技术在制备的纯DLC膜层104上喷涂聚四氟乙烯制备聚四氟乙烯涂层105,以最终制得所述剃须刀片超薄碳膜层材料。
实施例3:
一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,具体包括如下步骤:
S01:利用金属和气体混合等离子体对基体表面进行高低能交替清洗,获得粗糙度为0.1微米的基体表面101;其中,金属离子束离子束能量为为100eV,真空室压强为2.0×10-3Pa,负压为-100V,束流强度为100mA;
S02:以金属靶为阴极,利用90度磁过滤沉积方法在制备的剃须刀片韧部基体表面101上进行金属打底层102的沉积;其中,磁过滤沉积时磁过滤管道中线包电流强度为1A,沉积时电流为20mA,以及沉积厚度为10nm,沉积时真空度为2.0×10-3Pa;
S03:以金属靶为阴极,利用90度磁过滤沉积方法在制备的金属打底层102上进行金属掺杂DLC膜层103的沉积;其中,利用90度磁过滤管道,在管道内设置进气口,通入乙炔,流量为60sccm,沉积膜层的厚度为10nm;
S04:利用90度磁过滤管道,通过磁过滤管道引出碳的等离子体到制备的金属掺杂DLC膜层103上进行纯DLC膜层104的沉积,其中起弧电流为40A,弧压为20V,沉积膜层的厚度为10nm;
S05:利用热喷涂技术在制备的纯DLC膜层104上喷涂聚四氟乙烯制备聚四氟乙烯涂层105,以最终制得所述剃须刀片超薄碳膜层材料。
为了进一步证明本发明的有益效果以更好地理解本发明,下面通过以下对比实施例进一步阐明本发明所述方法制备的剃须刀片超薄碳膜层材料具有的性质及应用性能,但不可理解为对本发明的限定,对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的其他测定实验得到的产品性质及根据上述性质进行的应用,也视为落在本发明的保护范围内。
对比例1:
未进行任何处理的剃须刀片。
对比例2:
一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,具体包括如下步骤:
S01:利用金属和气体混合等离子体对基体表面进行高低能交替清洗,获得粗糙度为0.1微米的基体表面101;其中,金属离子束离子束能量为120eV,真空室压强为3.0×10- 3Pa,负压为-100V,束流强度为150mA;
S02:利用90度磁过滤管道,通过磁过滤管道引出碳的等离子体到制备的金属掺杂DLC膜层103上进行纯DLC膜层104的沉积,其中起弧电流为40A,弧压为20V,沉积膜层的厚度为10nm;
S03:利用热喷涂技术在制备的纯DLC膜层104上喷涂聚四氟乙烯制备聚四氟乙烯涂层105,以最终制得所述剃须刀片超薄碳膜层材料。
将上述实施例1~3制备的剃须刀片超薄碳膜层材料与对比例1~2的膜层材料分别进行如下测定实验,具体实验结果如下所示,其中,试样1~试样5分别为对比例1、实施例1、对比例2及实施例2~实施例3制备的剃须刀片超薄碳膜层材料:
(1)膜层材料结合强度的测定实验
膜层材料的结合强度为采用划痕法测试,且测试设备为AntonPaarRST3,以及测试图中LC2值越高膜层与基体结合强度越高,具体测试结果参见附图2~附图5。
由图2~图5可知,除对比例2制备的膜层材料外,其余实施例制备的DLC膜层均具有很好的结合强度,且从图中可看出通过实施例1和实施例3制备的膜层材料的结合强度最高,分别为32和30N。
(2)膜层材料的切割实验
利用剃须刀片进行切纸实验,以切割力作为相关评价指标,其中切割设备为自制且其仅作为横向对比,具体测试结果参见附图6(未喷涂聚四氟乙烯制备的膜层材料)和附图7(增加聚四氟乙烯喷涂后制备的膜层材料,且聚四氟乙烯涂层的喷涂厚度为10μm)。
由图6可知,未经处理的剃须刀片(对比例1)切割力高达60N以上,而通过本发明公开的方法处理后得到的膜层材料切割力下降明显,最小为16N(实施例1),而未作过渡层(对比例2)的切割力为40N。
相较图6公开的未喷涂聚四氟乙烯制备的膜层材料,由图7可知,喷涂聚四氟乙烯涂层后膜层材料的性能如切割力明显低于未喷涂聚四氟乙烯制备的剃须刀片,且喷涂聚四氟乙烯后剃须刀片切割力下降值几乎一致。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种剃须刀片超薄碳膜层材料,其特征在于,所述膜层材料为五层复合结构,基体为剃须刀片韧部,中间过渡层依次为金属打底层、金属掺杂类金刚石膜层和类金刚石膜层,表层为聚四氟乙烯涂层;其中,
所述金属打底层和所述金属掺杂类金刚石膜层为以金属靶为阴极,利用磁过滤在所述基体层上沉积而得;
所述类金刚石膜层为以碳靶为阴极,利用磁过滤在所述金属掺杂类金刚石膜层上沉积制得;
所述聚四氟乙烯涂层利用热喷涂技术在所述类金刚石膜层上喷涂聚四氟乙烯而得。
2.根据权利要求1所述的一种剃须刀片超薄碳膜层材料,其特征在于,所述金属打底层的沉积厚度为0.1~20nm;所述金属掺杂类金刚石膜层的沉积厚度为0.1~10nm;所述类金刚石膜层的沉积厚度为0.1~10nm;所述聚四氟乙烯涂层的喷涂厚度为0.1~10μm。
3.一种如权利要求1或2所述的剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,其特征在于,所述方法即为一种剃须刀片沉积超薄碳膜的方法,具体包括以下步骤:
I、利用金属等离子体对剃须刀片韧部基体表面进行清洗,获得粗糙度为0.01~0.2μm的基体表面,备用;
II、在步骤(I)制备的剃须刀片韧部基体表面上,以金属靶为阴极,并利用磁过滤沉积制备金属打底层;
III、在步骤(II)制备的金属打底层上,以金属靶为阴极,并利用磁过滤沉积制备金属掺杂类金刚石膜层;
IV、在步骤(III)制备的金属掺杂类金刚石膜层上,以碳靶为阴极,并利用磁过滤沉积制备类金刚石膜层;
V、在步骤(IV)制备的类金刚石膜层上,利用热喷涂技术喷涂聚四氟乙烯制备聚四氟乙烯涂层,以最终制得所述剃须刀片超薄碳膜层材料。
4.根据权利要求3所述的一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(I)中的金属离子束能量为1~200eV,真空室压强为2.0×10-3~5.0×10-3Pa,负压为-100~-200V,及束流强度为100~200mA。
5.根据权利要求3所述的一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(II)中,磁过滤沉积时磁过滤管道中线包电流强度为1~3A,且沉积电流控制在10~100mA之间,沉积真空度为2.0×10-3~5.0×10-3Pa,沉积厚度为0.1~20nm。
6.根据权利要求3所述的一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(III)中,利用90度磁过滤管道,在管道内设置进气口,通入流量为50~200sccm的乙炔气体;通过磁过滤管道引出碳离子和金属离子,并控制碳等离子密度与金属离子的密度比值在2~4之间,且沉积厚度为0.1~10nm。
7.根据权利要求3所述的一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,其特征在于,其特征在于,所述步骤(IV)中,利用90度磁过滤管道,通过磁过滤管道引出碳的等离子体到剃须刀片基体进行纯DLC膜层沉积,其中起弧电流为40~80A,起弧电压为15~30V,及沉积厚度为0.1~10nm。
8.根据权利要求7所述的一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,其特征在于,其特征在于,所述步骤(IV)还包括对所述剃须刀片韧部基体施加直流偏压;其中直流偏压的电压为100~400V,占空比为1~80%。
9.根据权利要求3所述的一种剃须刀片超薄碳膜层材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(V)中,热喷涂后对所述膜层材料进行烘干,其中烘干温度为200℃~300℃,烘干时间为1~3h。
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