DE2930634A1 - Verfahren zur herstellung eines dielektrischen materials mit innerhalb des volumens verteilten isolierenden barrieren - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines dielektrischen materials mit innerhalb des volumens verteilten isolierenden barrierenInfo
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Description
THOMSON - CSF 27. Juli 1979
173» Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich
75008 Paris / Frankreich
Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Materials mit innerhalb des Volumens verteilten isolierenden Barrieren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Materials mit im Innern des Volumens verteilter
isolierender Barriere mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante und mit in Abhängigkeit von dem im Innern
des Materials herrschenden Mittelwert des elektrischen Felds variierendem Widerstand. Die Erfindung betrifft auch einen
nach diesem Verfahren erhaltenen keramischen Körper sowie eine elektronische Vorrichtung, insbesondere einen Kondensator,
der ein solches Material enthält.
Kondensatoren mit Halteschicht, die sich durch eine sehr hohe relative Dielektrizitätskonstante (20 000 bis 200 000)
des ihre Belegungen trennenden dielektrischen Materials (oder partiell dielektrischen Materials) auszeichnen, sind
bekannt. Man weiß, daß ihr Herstellungsverfahren, ausgehend
Dr.Ha/Ma 030009/0 691
von Titanoxid und Bariumcarbonat, zwei aufeinanderfolgende
Wärmebehandlungen umfaßt, nämlich eine erste Behandlung in einer Atmosphäre aus reihern Wasserstoff
oder Stickstoff bei einer Temperatur zwischen 800 und 14000C und eine zweite Behandlung in einer oxidierenden
Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 700 und 14000C.
Die nach diesem Verfahren erzielten Eigenschaften sind die folgenden:
- eine relative Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 100 000;
- eine Tangente des Verlustwinkels von 5 % oder mehr (bei einer Meßfrequenz von 1 kHz);
- ein sehr hoher spezifischer Widerstand (10 Ohm-cm)
unter einer Spannung von 1 Volt zwischen Elektroden, die durch eine Materialdicke von 0,8 mm (d.h. ein
mittleres elektrisches Feld von 1,25 V/mm) getrennt sind, Jedoch oberhalb einer Spannung von 15 bis 30 Volt
(Mittelwert des elektrischen Felds 18 bis 40 V/mm) durchschlagen.
Man kennt auch Kondensatoren mit im Volumen verteilten isolierenden Barrieren, die sich durch eine etwas weniger
hohe relative Dielektrizitätskonstante (20 000 bis 30 000) auszeichnen, deren spezifischer Widerstand Jedoch auch noch
bei einem mittleren elektrischen Feld in der Größenordnung von 200 V/mm oberhalb 10 0hm-cm bleibt. Bekanntlich
umfaßt ihr Herstellungsverfahren aufeinanderfolgende Wärmebehandlungen,
die eine ausgehend von einem Gemisch aus Barium- und Titanoxid, versetzt mit einem geringen Prozentsatz
seltenes Erdoxid, in einer Atmosphäre aus reinem Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 13000C und die andere
nach Zusatz von Kupferoxidpulver bei einer Temperatur von 12500C. 030009/0691
Schließlich ist noch das nach dem Verfahren der französischen
Patentschrift 1 581 387 erhaltene dielektrische Material bekannt. Dieses Material, dessen relative Dielektrizitätskonstante
etwa 50 000 beträgt, bewahrt unter Verwendungsbedingungen, bei denen es einem mittleren elektrischen
Feld von 100 V/mm ausgesetzt wird, eine gute dielektrische Festigkeit. Das Verfahren nach diesem Patent
umfaßt außer einer Trocknung der naß gemahlenen Ausgangsstoffe nur eine einzige Wärmebehandlung bei einer Temperatur
zwischen 1300 und 14000C, ausgehend von einem Pulver,
bestehend aus einem Gemisch von Bariumcarbonat, Titanoxiden, Kalzium, Strontium, Zirkon und/oder Zinn enthaltenden Ausgangsstoffen,
und schließlich zwei verschiedenen Dotierungssubstanzen, von denen eine z.B. Antimonoxid und die andere
Kupferoxid ist.
Die Erfindung ermöglicht den Erhalt eines Materials mit innerhalb des Volumens verteilten isolierenden Barrieren,
das eine höhere relative Dielektrizitätskonstante wie die klassischen Kondensatoren und einen spezifischen Widerstand
besitzt, der für einen Mittelwert des elektrischen Feldes
im Innern von 200 V/mm oder höher 10 0hm-cm übersteigen
kann.
Das erfindungsgemäße Material wird nach einem Verfahren erhalten, das einmal bestimmte allgemeine Merkmale der Herstellung
polykristalliner Keramiken vom Typ des substituierten und dotierten Bariumtitanats und zum andern nachstehend
angegebene besondere Merkmale aufweist.
Die Ausgangsstoffe bestehen aus einem Pulvergemisch von Oxiden und Salzen (wobei letztere leicht durch die Wärme
zersetzt werden). Das Gemisch wird in den folgenden Anteilen
hergestellt:
030009/069V
(1-x) Mol BaCO3;
χ Mol CaCO, oder SrCO, oder PbCO, oder MgCO, oder eines
anderen Kalzium-, Strontium-, Blei- oder Magnesiumsalzes;
ζ (1-y) Mol TiO2;
ζ y Mol SnO2 oder ZrO2 oder SiO2;
wobei folgendes gilt:
0 < χ < 0,5
0 < y < 0,5
1 < ζ < 1,1.
Außerdem enthält dieses Gemisch zwei Arten von zusätzlichen oder dotierenden Substanzen:
Erste Art: Oxide oder Salze von seltenen Erden (Dy, Nd, La, Y) oder 3- oder 5-wertige Elemente (Sb, Bi, Nb) in
einer 15 bis 30 Gewichtsteilen auf 10 000 des Gesamtgewichts der in dem Ausgangsgemisch enthaltenen Mole BaO und TiO2
entsprechenden Menge;
Zweite Art: Oxide oder Salze von Kupfer, Mangan, Kobalt oder zweiwertigem Eisen in einer 5 bis 15 Gewichtsteilen auf
10 000 Teile des Gesamtgewichts der in dem Ausgangsgemisch enthaltenen Mole BaO und TiO2 entsprechenden Menge.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Materials umfaßt wie bei jeder Herstellung polykristalliner Keramiken
die folgenden Stufen:
a) Mahlen des Ausgangsgemischs;
b) Wärmebehandlung zur Schamottebildung;
030009/0691
c) erneutes Mahlen (fakultativ);
d) Formgebung des Materials durch Pressen oder Gießen;
e) WärmeSinterung bei Atmosphärendruck, wobei die Kurve
der Temperatur als Funktion der Dauer einen aufsteigenden Abschnitt, einen horizontalen Abschnitt und
einen absteigenden Abschnitt umfaßt. Außerdem ist ein besonderes Merkmal dieses Verfahrens darin zu sehen,
daß der aufsteigende Abschnitt und der horizontale Abschnitt in reduzierender oder schwach oxidierender
Atmosphäre verlaufen, wobei die Temperatur des horizontalen Abschnitts zwischen 1330 und 13800C liegt,
während bei dem Temperaturabfall, ausgehend von einer
Temperatur unterhalb der Temperatur des horizontalen Abschnitts (100 bis 3000C darunter), man in einer
eindeutig oxidierenden Atmosphäre arbeitet, z.B. mit reinem Sauerstoff.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 eine Kurve des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld im Innern eines bekannten
Materials;
Fig. 2, 3 und 4 analoge Kurven für erfindungsgemäße Materialien.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wählt man für die Größen x, y und ζ die folgenden Werte:
x = 0 Υ = 0,2
ORlGfNAL WSPECTED
Die Oxide oder Salze sind BaCO,, TiOp und SnOp für die Haupfbestandteile und Sb2O, und CuO für die Dotierungsmittel, diese letzteren in Gehalten von 25 bzw. 9 auf
10 000 des Gesamtgewichts (BaO + TiO2) in den Ausgangsstoffen.
Die Mengen an Oxiden oder Salzen sind z.B. die folgenden für ein Gesamtgewicht (BaO + TiO2) von 50 g:
BaCO3 : 39,431 g
TiO : 13,436 g
SnO2 : 6,019 g
Sb2O3 : 0,125 g (Gehalt in % 0,25)
CuO : 0,045 g (Gehalt in % 0,09).
Die Verfahrensstufen verlaufen wie folgt:
a) ein erstes Mahlen erfolgt in wäßrigem Milieur (entmineralisiertes
Wasser) oder in einer Flüssigkeit, welche die Ausgangsstoffe nicht zu stark löst, in einer Zirkonkugeln
enthaltenden Kugelmühle; das Mahlen dauert eine halbe Stunde bis zu einer Stunde;
b) Schamottierung des so erhaltenen Pulvers, indem man dieses
zwei Stunden in einem Ofen auf 10500C oder während einer
Dauer von einer bis zu mehreren Stunden auf einer Temperatur zwischen 950 und 12500C hält;
c) zweites Mahlen unter ähnlichen Bedingungen wie beim ersten Mahlen;
030009/0691
d) Formgebung unter einem Druck von 0,5 bis 1 t/cm , entweder durch sogenanntes isostatisches Pressen oder
durch Verpressen in einer Form nach Zugabe eines Bindemittels (dieses wird nach der Formgebung durch Erhitzen
wieder entfernt). Man erhält so entweder direkt die gewünschten Stücke oder einen Zylinder, den man dann
z.B. in dünne Scheiben schneidet (z.B. 1 mm dick);
e) Wärmesinterung unter den folgenden Bedingungen in einem Ofen, durch welchen man entweder atmosphärische Luft
zirkulieren lassen oder unter einer bestimmten Atmosphäre arbeiten kann, welche durch Hindurchleiten von Gas, z.B.
reinem Sauerstoff, erzeugt wird. Die Behandlung umfaßt:
- einen aufsteigenden Abschnitt (lineare Änderung der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit) mit einer
Neigung zwischen 100 und 5000C pro Stunde, z.B. 300°C/h;
- einen horizontalen Abschnitt bei einer Temperatur zwischen 1330 und 1380°C, z.B. bei 135O0C während einer
Dauer von 0,5 bis 5 Stunden, beispielsweise eine Stunde;
einen absteigenden Abschnitt (lineare Änderung der Temperatur als Funktion der Zeit) mit einer negativen
Neigung zwischen 10 und 500C pro Stunde, z.B. 30°C/h;
eine Luftatmosphäre während dem aufsteigenden Abschnitt, dem horizontalen Abschnitt und zu Beginn des absteigenden
Abschnitts, und von da an wird reiner Sauerstoff in einer Menge von 0,5 bis 5 Liter pro Minute in den
Ofen in unmittelbarer Nähe der zu sinternden Stücke eingeblasen. Der Durchsatz betrug beispielsweise 1 Liter
pro Minute in einem Röhrenofen mit einem Durchmesser von 60 mm.
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In den vier in Tabelle 1 zusammengefaßten Fällen erhaltenen
Eigenschaften wurden gemessen, wobei diese Fälle der Einführung von reinem Sauerstoff ab den in Jedem Fall angegebenen
Temperaturen entsprechen.
Gemessene Eigenschaften |
1. Fall (135O0C) |
2. Fall (12000C) |
3. Fall (11000C) |
4. Fall (100O0C) |
spezifischer Widerstand in Ohm-cm für E = 1 V/mm |
1,4.1O9 | 7,7.1O9 | 1,1.101° | 1.2.1010 |
maximaler spe zifischer Wi derstand (Wert von E) |
1,5.1010 (100 V/mm) |
2.1O10 (60 V/mm) |
2.1O10 (100 V/mm) |
|
relative Dielek trizitätskon stante (für E = 1 V/mm) |
31500 | 38900 | 45850 | 38800 |
Tangente des Verlustwinkels (für E = 2 V/mm) |
8,4.10"2 | 5,4.10"2 | 5,8.10~2 | 5,4.10"2 |
Nachstehend werden die Ergebnisse der Widerstandsmessungen von nach dem ersten Beispiel erhaltenen Materialien mit den
Ergebnissen bei Materialien verglichen, die nach dem in der eingangs genannten französischen Patentschrift 1 581 387
beschriebenen Verfahren hergestellt wurden.
In Fig. 1 ist auf der Abszisse der Logarithmus des elektrischen Feldes E In V/mm aufgetragen; auf der Ordinate findet
man den Logarithmus des spezifischen Widerstands in Ohm-cm. Die Kurven 1 und 2 entsprechen den mit zwei verschiedenen
Zusammensetzungen der in der genannten Patentschrift be-
030009/0691
schriebenen Keramiken erhaltenen Ergebnissen. Man stellt fest, daß sogar für die Kurve 1 (der günstigste Fall) der
spezifische Widerstand abzunehmen beginnt, indem er unter
10 Ohm-cm absinkt, lange bevor der Wert für das elektrische
Feld 100 V/mm erreicht.
In Fig. 2 sind, unter Verwendung der gleichen Koordinaten wie in Fig. 1, die für drei Materialproben, welche den
ersten drei Fällen der Tabelle 1 entsprechen, erhaltenen Kurven des spezifischen Widerstands dargestellt. Man stellt
fest, daß in den drei Fällen der spezifische Widerstand zunimmt, wenn das elektrische Feld von 10 V/mm auf höhere
Werte übergeht, wobei ein Maximum bei etwa 60 oder 100 V/mm für den dritten und den zweiten Fall und keine Unterbrechung
für den ersten Fall (Temperatur: 13500C) festgestellt wird.
In einem zweiten Beispiel wählte man die gleichen Werte für die Größen x, y und ζ mit den gleichen Salzen oder
Oxiden als Hauptbestandteile, jedoch mit Sb2O3 und Mn2CO3
als Dotierungsmittel, und zwar in den folgenden Mengenanteilen:
0,25 % Sb2O3, d.h. 0,125 g;
0,06 % Mn2CO3, d.h. 0,030 g.
Die Tabelle 2 gibt die Werte der Eigenschaften in drei analogen Fällen wie in Tabelle 1 an.
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Gemessene Eigenschaften |
1. Fall (12000C) |
2. Fall (11000C) |
3. Fall (10000C) |
spezifischer Widerstand in Ohm-cm für E = 1 V/mm |
1,9.1010 | 2,4.1O10 | 2,1.1010 |
maximaler spezifischer Widerstand (Wert von E) |
3,1.1O10 (100 V/mm) |
4,04.1010 (150 V/mm) |
2,5.101O (150 V/mm) |
relative Dielektrizitäts konstante (für E = 1 V/mm) |
27600 | 25700 | 24550 |
Tangente des Verlustwinkels (für E = 1 V/mm) |
5.10"2 | 4,0.10""2 | 4,7-10~2 |
Die diesen drei Fällen entsprechenden Kurven des spezifischen Widerstands sind in Fig. 3 dargestellt.
Die Beobachtungen sind die gleichen wie sie für die drei letzten Fälle der Tabelle 1 gemacht wurden.
In anderen Beispielen nahm man für die Ausgangsgemische Zusammensetzungen, die durch die Wahl der in der folgenden
Tabelle angegebenen Größen bestimmt wurden.
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293063A
Nr. des Beispiels |
X | y | 2 | Prozent gehalt an Sb2O, |
Prozent gehalt an CuO |
Prozent gehalt an MnCO3 |
3 | O | 0,2 | 1,07 | 0,25 | 0,09 | 0 |
4 | O | 0,2 | 1,07 | 0,25 | 0,067 | 0,007 |
5 | O | 0,2 | 1,07 | 0,25 | 0,045 | 0,015 |
6 | O | 0,2 | 1,07 | 0,25 | 0,022 | 0,022 |
7 | O | 0,2 | 1,07 | 0,25 | 0 | 0,03 |
Die Sinterung erfolgte unter den folgenden Bedingungen, wobei die vorhergehenden Stufen mit denen des ersten und
zweiten Beispiels identisch waren:
- Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs: 300°C/Stunde
- Dauer des horizontalen oder gleichbleibenden Abschnitts
bei 135OUC:
1 Stunde
- Geschwindigkeit des Temperaturabfalls: 30°C/Stunde
unter Zuführung von reinem Sauerstoff (1 Liter pro Minute) ab Erreichen der Temperatur von 11000C bis zum Ende der
Abkühlung.
Die an gemäß den Beispielen 3 bis 7 erhaltenen Proben gemessenen Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle 4 zusammengefaßt
:
030009/0691
O O
co
σ>
(O
Gemessene Eigenschaften |
Nr. der Beispiele | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
spezifischer Widerstand in Ohm-cm für E = 1 V/mm |
6,1.109 | 1,05.1010 | 1.1010 | 1,2.1010 | 3,5.1010 | |
maximaler spezifischer Widerstand (Wert von E) |
2,1.1010 (150 V/nm) |
2,3.1010 (100 V/mm) |
2.1010 (130 V/mm) |
3,1.1010 (100 V/mm) |
5,2.1010 (63 V/mm) |
|
relative Dielektrizitäts konstante (für E = 1 V/mm) |
43900 | 42145 | 40800 | 34000 | 28700 | |
Tangente des Verlustwinkels (für E = 1 V/mm) |
5,4 % | 5,8 % | 5,3 % | 5,5 % | 5,7 % |
er»
Is) CO CO CD
cn co
Fig. 4 zeigt für fünf Kurven 3 "bis 7 die spezifischen
Widerstände der in den Beispielen 3 bis 7 erhaltenen Materialien.
Wie man sieht, besitzen diese Materialien einen spezifi-
10
sehen Widerstand von über 10 in einem weiten Bereich, insbesondere für Werte des elektrischen Feldes von über 100 V/mm.
sehen Widerstand von über 10 in einem weiten Bereich, insbesondere für Werte des elektrischen Feldes von über 100 V/mm.
Bezüglich der Mengen an Dotierungsmittel der zweiten Art
beobachtete man, daß man mit denen der Beispiele 3 bis vergleichbare Ergebnisse erzielt, wenn man Gewichte an
Kupferoxid und Mangancarbonat wählt, die insgesamt nicht 5 bis 15 Gewichtsteile auf 10 000 Teile des Gesamtgewichts
aus BaO und TiO2 übersteigen.
Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Materials kann
man elektrische Kondensatoren mit einer relativ großen elektrostatischen Kapazität im Verhältnis zu ihrem Volumen
und einer verhältnismäßig hohen Betriebsspannung herstellen.
Dieses Material eignet sich auch zur Herstellung von Kondensatoren
mit mehreren Schichten, die gegebenenfalls durch aus vor der Sinterung abgeschiedenen Metallbelegungen bestehende
Elektroden getrennt sind.
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Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen
Materials mit im Volumen verteilten isolierenden Barrieren, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial
ein Pulvergemisch der folgenden Oxide und Salze in den angegebenen Mengenverhält
nissen:
1-x Mol BaCO3;
χ Mol CaCO, oder SrCO, oder PbCO, oder MgCO, oder
ein anderes durch Wärme leicht zersetzbares Salz von Ca, Sr, Pb, Mg;
ζ (1-y) Mol TiO2;
ζ y Mol SnO2 oder ZrO2 oder SiO2;
unter den folgenden Bedingungen:
0 < χ < 0,5
0 < y < 0,5
1 < ζ < 1,1
Dr.Ha/Ha
030009/0691
verwendet wird, das außerdem noch zum einen Oxide oder Salze von seltenen Erden oder drei- oder fünfwertigen
Elementen in einer Gewichtsmenge von 15 bis 30 Teilen auf 10 000 Teile des Gesamtgewichts der Mole von BaO
und TiO2 in dem Ausgangsgemisch und zum andern Oxide oder Salze von Kupfer oder Mangan oder Kobalt oder
Eisen in einer Gewichtsmenge enthält, die 5 bis 15 Teilen auf 10 000 Teile des Gesamtgewichts der Mole von BaO und
TiO2 in dem Ausgangsgemisch entspricht, und daß das Verfahren die folgenden Stufen umfaßt:
a) Mahlen;
b) Wärmebehandlung zur Schamottebildung;
c) erneutes Mahlen;
d) Formgebung des Materials durch Pressen oder Gießen;
e) Wärmesinterung unter Einhaltung einer Temperaturkurve mit einem aufsteigenden Abschnitt, einem horizontalen
Abschnitt und einem absteigenden Abschnitt, wobei der aufsteigende Abschnitt und der horizontale
Abschnitt unter einer reduzierenden oder schwach oxidierenden Atmosphäre verlaufen und die Temperatur des
horizontalen Abschnitts zwischen 1330 und 13800C liegt,
und wobei während des sehr langsam erfolgenden Temperaturabfalls (unter 50°C/Stunde), ausgehend von einer
Temperatur, die um 0 bis 3000C unterhalb der Temperatur
des horizontalen Abschnitts liegt, eine deutlich oxidierende Atmosphäre herrscht.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seltenen Erden Dysprosium, Lanthan, Neodym
und/oder Ytterbium, die drei- oder fünf wertigen Elemente Wismut, Antimon oder Niob sind, daß die Schamottebildung
bei einer Temperatur zwischen 950 und 1250 C während einer bis zu mehreren Stunden erfolgt,
daß der aufsteigende Abschnitt der Temperaturkurve während der Sinterung eine Neigung zwischen 100 und
5000C pro Stunde aufweist, daß der horizontale Abschnitt
eine halbe bis fünf Stunden dauert, und daß der absteigende Abschnitt eine Neigung zwischen 10
und 500C pro Stunde besitzt, wobei der Übergang von
der reduzierenden Atmosphäre zur oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur erfolgt, die um 100 bis 2000C unter
der Temperatur des horizontalen Abschnitts liegt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
x = 0 y = 0,2 ζ = 1,04
und daß die Oxide oder Salze BaCO,, TiO2, SnO2 in den
vorstehend angegebenen Mengen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem Ausgangsgemisch Sb2O, in einer Menge von
0,25 % der gesamten molaren Gewichtsmenge an BaO und TiO2 des Ausgangsgemischs und Kupferoxid CuO in einer
Menge von 0,09 % der gesamten molaren Gewichtsmenge an BaO und TiO2 des Ausgangsgemischs verwendet.
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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsgemisch ein solches Gewicht P^ an
Kupferoxid CuO und ein solches Gewicht Pp an Mangancarbonat
MnCO, enthält, daß das Gesamtgewicht P von Oxid und Salz nicht 5 bis 15 Teile auf 10 000 Teile
des Gesamtgewichts der Mole von BaO und TiO2 in dem Gemisch übersteigt.
6. Elektrischer Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß er einen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1
bis 5 erhaltenen keramischen Körper enthält.
7. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper mehrere
Schichten aus dielektrischem Material aufweist.
030009/0691
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