JP2001162177A - セラミックスハニカム構造体及びその製造方法 - Google Patents

セラミックスハニカム構造体及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来よりも薄肉化した場合でも,触媒等を十
分に担持することができ,かつ,機械的強度に優れたセ
ラミックスハニカム構造体およびその製造方法を提供す
ること。 【解決手段】 流体の流路となる多数のセル10を形成
する格子壁11と,少なくとも格子壁11の周囲を覆う
周壁12とよりなる。周壁12の近傍に位置する格子壁
11の外周部112は(B部は),外周部112よりも
内部に位置する格子壁11の内周部111(A部)より
も気孔率が低い緻密質よりなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は,例えば,自動車エンジン等の内
燃機関の排ガス浄化装置における触媒担体,あるいは水
質浄化用等のろ過フィルター等に用いられるセラミック
スハニカム構造体及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】近年,自動車エンジンの排ガス規制が強化
されるのに伴い,エンジン始動直後の炭化水素排出量を
低減するために,排ガス浄化用触媒を早期に活性化する
ことが求められている。この触媒の早期活性化の手段の
一つとして,触媒成分を担持させたセラミック製のハニ
カム構造体を低熱容量化する方法がある。この方法を行
うにはハニカム構造体のセル壁厚を薄くすることが求め
られる。しかし,ハニカム構造体のセル壁厚を薄くする
と,ハニカム構造体の機械的強度が低下する。
【0003】ハニカム構造体の機械的強度を向上させる
手段としては,特公昭62−6855号公報に示されて
いるごとく,外周壁及び流路となるセルを構成する格子
壁のうち外周壁に近い部分において,壁が有する気孔
に,気孔率の小さい補強材料を充填する方法が提案され
ている。
【0004】
【解決しようとする課題】しかし,上記気孔に補強材料
を充填する方法により強化したハニカム構造体は,耐久
性が低いという問題がある。即ち,ハニカム構造体を排
ガス浄化触媒の触媒担体としてエンジン排気管中に配置
した場合,ハニカム構造体には低温から高温への熱変動
が繰り返し与えられる。そのため,使用時に,格子壁と
補強材料との剥離,あるいは熱履歴から熱衝撃破壊が生
じる場合がある。また,上記剥離,熱衝撃破壊等は,ハ
ニカム構造体製造過程における焼成後の冷却過程でも生
じる場合がある。このような不具合の発生理由は,ハニ
カム構造体の格子壁等とこれを補強する補強材料との間
に熱膨張係数の違いがあること,および補強部分と補強
していない部分とが不連続であることによると考えられ
る。
【0005】さらに,上記のごとく,気孔に補強材料を
充填した場合には,表面に開口している気孔が埋められ
表面積の減少等につながる。そのため,触媒の担持量,
あるいは触媒をハニカム構造体に付着させる際の媒体と
なる大きな比表面積を持つ保持材の担持量が減少してし
まい,十分な触媒作用を得ることが困難となる。
【0006】また,補強材料を充填した場合に母材との
接合性を向上するために,融剤成分としてK,Na,C
a等のアルカリ金属,アルカリ土類金属元素が添加され
る。これらは,熱膨張係数の増大の原因となり,繰り返
し熱変動を生じる場合での使用においては熱衝撃破壊あ
るいは剥離を生じ易くなる。
【0007】本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので,従来よりも薄肉化した場合でも,触媒等
を十分に担持することができ,かつ,機械的強度に優れ
たセラミックスハニカム構造体およびその製造方法を提
供しようとするものである。
【0008】
【課題の解決手段】請求項1の発明は,流体の流路とな
る多数のセルを形成する格子壁と,該格子壁の周囲を覆
う周壁とよりなるセラミックスハニカム構造体におい
て,少なくとも上記周壁の近傍に位置する上記格子壁の
外周部は,該外周部よりも内部に位置する上記格子壁の
内周部よりも気孔率が低い緻密質よりなることを特徴と
するセラミックスハニカム構造体にある。
【0009】本発明において最も注目すべきことは,少
なくとも上記格子壁の外周部の気孔率を上記内周部より
も低下させることにより,従来のような充填材料を用い
ることなく,格子壁の外周部自体を緻密質としたことで
ある。
【0010】次に,本発明の作用効果につき説明する。
本発明においては,上記格子壁の外周部を上記のごとく
気孔率を低下させた緻密質としてある。そのため,上記
外周部は,これよりも気孔率が高い内周部よりも機械的
強度が向上した強化部となる。そのため,セラミックス
ハニカム構造体の熱容量を低下させるべく格子壁および
周壁の薄肉化を行った場合においては,少なくとも上記
外周部よりなる強化部の存在によって全体の必要強度を
維持することができる。また,この場合にも上記内周部
には従来と同様な高い気孔率を持たせることができ,こ
れによる作用効果を維持することもできる。
【0011】また,上記外周部の機械的強度の向上は,
上記のごとく気孔率そのものを低下させることによる緻
密質の形成により行い,気孔内に別材料を充填するとい
うことは行わない。そのため,上記外周部の表面におけ
る開口した気孔の存在は維持することができ,表面の凹
凸形状および表面積の確保を行うことができる。それ
故,上記セラミックスハニカム構造体を触媒担体として
用いる場合においては,触媒或いはその保持材の担持量
を十分に確保することができる。
【0012】したがって,本発明によれば,従来よりも
薄肉化した場合でも,触媒等を十分に担持することがで
き,かつ,機械的強度に優れたセラミックスハニカム構
造体を提供することができる。
【0013】次に,請求項2の発明のように,上記格子
壁の外周部における上記緻密質の気孔率をPout,上記
格子壁の内周部の気孔率をPinとした場合,下記の関係
式で示されるΔPrが5%以上の範囲にあることが好ま
しい。 ΔPr=−(Pout−Pin)/Pin 上記ΔPrが5%未満の場合には,上記緻密質の強化が
十分に行えないという問題がある。
【0014】また,請求項3の発明のように,上記格子
壁における外周部の厚みは,上記セラミックスハニカム
構造体の中心から上記周壁の内面までの距離の1.2%
以上であることが好ましい。上記距離に対する外周部の
厚みが1.2%未満の場合には,セラミックスハニカム
構造体全体の強度向上が十分に行われないという問題が
ある。
【0015】また,請求項4の発明のように,上記外周
部における緻密質の気孔率は,内側から外側に向けて徐
々に低下していることが好ましい。この場合には,外周
部と内周部との境界部における急激な強度変化を抑制す
ることができ,境界部への応力集中の緩和等を図ること
ができる。
【0016】また,請求項5の発明のように,上記格子
壁における上記外周部の厚さは上記内周部の厚さよりも
0〜400%大きいことが好ましい。この場合には,外
周部の内周部よりも強化する方法として,上記緻密質の
採用と共に厚肉化による効果を加えることができる。一
方,上記外周部の厚さが内周部の厚さよりも薄い場合
(上記値が0%未満の場合)には,緻密質による強度向
上効果が薄肉化により低下するおそれがある。また,外
周部の厚さが内周部の厚さの5倍を越える場合(上記値
が400%を越える場合)には,流体通過時の圧損を増
大させてしまうおそれがある。
【0017】また,請求項6の発明のように,上記格子
壁における内周部と外周部との境界領域は,外周部から
内周部に向かって徐々に厚さが小さくなるよう構成して
あることが好ましい。この場合には,外周部と内周部と
の境界部の急激な形状変化を抑制することができ,応力
集中の緩和などを図ることができる。
【0018】また,請求項7の発明のように,上記格子
壁の外周部と内周部における熱膨張係数の差は,±0.
5×10-6/℃の範囲内であることが好ましい。この範
囲を超える場合には,セラミックスハニカム構造体に温
度変化の大きな熱履歴が与えられた際に,熱衝撃破壊を
招きやすくなるという問題がある。
【0019】また,請求項8の発明は,流体の流路とな
る多数のセルを形成する格子壁と,該格子壁の周囲を覆
う周壁とよりなり,少なくとも上記周壁の近傍に位置す
る上記格子壁の外周部は,該外周部よりも内部に位置す
る上記格子壁の内周部よりも気孔率が低い緻密質よりな
るセラミックスハニカム構造体を製造する方法であっ
て,上記緻密質の形成は,上記セラミックスハニカム構
造体を構成する材料の融点を下げる融点低下成分を,少
なくとも上記ハニカム構造体の上記格子壁の外周部に付
着させた後,熱処理することにより形成することを特徴
とするセラミックスハニカム構造体の製造方法にある。
【0020】本製造方法において最も注目すべき点は,
上記融点低下成分を所望部分に付着させ,これを熱処理
することにより,隔壁自体を緻密質に変化させることで
ある。
【0021】上記融点低下成分としては,セラミックス
ハニカム構造体を構成する材質によって適宜選択するこ
とができる。たとえばセラミックスハニカム構造体がコ
ーディエライトよりなる場合には,コーディエライト中
における含有割合を増やすことにより,そのコーディエ
ライトの融点を下げる効果を発揮しうる成分を上記融点
低下成分とすることができる。たとえば,コーディエラ
イトを構成する原料の一部である,タルク,アルミナ,
カオリンおよびこれらの混合物を融点低下成分として適
用することができる。また,コーディエライトの不純物
となる成分,例えば,鉄,チタンを上記融点低下成分と
して用いることもできる。これらの不純物量の増加によ
ってもコーディエライトの融点を低下させることができ
る。
【0022】また,上記融点低下成分を上記格子壁の外
周部に付着させる方法としては,たとえば,融点低下成
分を溶媒に混合させた混合液を作製し,これを所望部分
に塗布する方法をとることができる。この場合の混合液
の溶媒としては,水等の水溶性溶媒,非水溶性有機溶媒
など,種々の溶媒を用いることができる。
【0023】また,上記混合液のセラミックスハニカム
構造体への付着の方法としては,例えばディップ法,ス
プレー法等種々の方法を採ることができる。また,上記
融点低下成分を付着させるセラミックスハニカム構造体
としては,押出成形後乾燥させただけのもの,あるい
は,乾燥後に焼成したもの,のいずれでもよい。
【0024】次に,本製造方法の作用効果につき説明す
る。本製造方法においては,上記融点低下成分をセラミ
ックスハニカム構造体の格子壁の外周部に付着させた
後,焼成する。これにより,上記融点低下成分を付着さ
せた部分は気孔率が低下して緻密質となる。それ故,格
子壁の外周部は,その内周部よりも強度の高い強化部と
なる。この現象のメカニズムは次のように考えられる。
【0025】即ち,上記焼成時においては,融点低下成
分と接する部分の融点が下がり,焼成温度によっても部
分的に溶融する。そのため,この溶融した部分が気孔の
内部に侵入し,これを埋める。それ故,上記融点低下成
分が付着していた部分は,他の部分よりも気孔率が下が
り緻密化され,強度が向上する。したがって,本製造方
法を用いれば,上記緻密質を有するセラミックスハニカ
ム構造体を容易に製造することができる。
【0026】次に,請求項9の発明のように,上記融点
低下成分における,K,Na,Ca等のアルカリ金属お
よびアルカリ土類金属の含有量は0.5wt%未満であ
ることが好ましい。これにより,格子壁の熱膨張係数の
増大を抑制することができる。一方,上記アルカリ金属
およびアルカリ土類金属の含有量が0.5wt%を超え
る場合には,得られた緻密質の熱膨張係数が増大して熱
衝撃を受けやすくなるという問題がある。
【0027】また,請求項10の発明のように,上記格
子壁の外周部には,内側から外側に向けて徐々に付着量
が増加するように上記融点低下成分を付着させることが
好ましい。この場合には,格子壁においては外周にいく
ほど緻密化した状態,即ち気孔率が小さい状態にスムー
ズに変化させることができる。それ故,応力集中等を抑
制することができ,耐久性をさらに向上させることがで
きる。
【0028】また,請求項11の発明は,請求項1〜7
のいずれか1項に記載のセラミックスハニカム構造体に
触媒成分を担持させてなるセラミックスハニカム構造触
媒にある。また,請求項12の発明は,請求項1〜7の
いずれか1項に記載のセラミックスハニカム構造体に触
媒成分を担持させることを特徴とするセラミックスハニ
カム構造触媒の製造方法にある。これらの発明によるセ
ラミックスハニカム構造触媒は,上述した優れたセラミ
ックスハニカム構造体を担体として用いることにより,
早期の触媒活性化を行うことができ,かつ耐久性に優れ
たものとなる。
【0029】
【発明の実施の形態】実施形態例 本発明の実施形態例にかかるセラミックスハニカム構造
体及びその製造方法につき,図1,図2を用いて説明す
る。本例では,排ガス浄化用触媒の担体として用いられ
るセラミックスハニカム構造体につき,セラミック材料
としてコーディエライトを用いた場合を例にとって説明
する。
【0030】本例のセラミックスハニカム構造体1は,
図1,図2に示すごとく,流体の流路となる多数のセル
10を形成する格子壁11と,該格子壁11の周囲を覆
う周壁12とよりなる。図2に示すごとく,周壁12と
周壁12の近傍に位置する上記格子壁11の外周部11
2(B部)とは,外周部112よりも内部に位置する格
子壁11の内周部111(A部)よりも気孔率が低い緻
密質よりなる。以下,これを詳説する。
【0031】本例のセラミックスハニカム構造体を構成
するコーディエライトは,理論組成が2MgO・2Al
23・5SiO2で表され,通常組成中にSiO2が4
9.0〜53.0重量%,Al23が33.0〜37.
0重量%,MgOが11.5〜15.5重量%の割合で
含有する。コーディエライトよりなるハニカム構造体を
成形する場合には,コーディエライト化原料として,タ
ルク(Mg3Si410(OH)2),カオリン(Al2
25(OH)4),アルミナ(Al23)等が一般的
に用いられる。これら化合物以外にも,コーディエライ
トの構成元素であるSi,Al,Mgのうち少なくとも
1種類を含む酸化物,窒化物,炭化物,硼化物,水酸化
物,塩化物等を必要に応じ適宜選択し,Si源,Al
源,Mg源として用いることができる。
【0032】本例では,コーディエライト化原料とし
て,タルク,カオリン,アルミナ,及び水酸化アルミニ
ウムの各粉末を使用し,焼成後の組成がコーディエライ
トの理論組成近傍となるように調合した。このコーディ
エライト化原料100重量%に対して,潤滑剤及び保湿
剤を2.8重量%,バインダを5.5重量%を添加し,
さらに水分を適量添加し,混練し坏土とした。ここで,
潤滑剤及び保湿剤としてはポリアルキレングリコールの
5%溶液を,バインダとしては水溶性バインダであるメ
チルセルロースを使用した。
【0033】次に,上記坏土を押出成形することにより
ハニカム形状に成形した。成形後乾燥して得られた成形
体は全体形状が円筒状であり,そのサイズは,外径(周
壁12の外径)がφ100mm,長さが100mm,周
壁12の厚みが0.3mm,格子壁11の厚みが60μ
mである。
【0034】次に,セラミックスハニカム構造体を構成
する材料の融点を下げる融点低下成分を,上記ハニカム
構造体の上記周壁と上記格子壁の外周部に付着させた
後,熱処理した。本例では上記融点低下成分として,S
i源,Mg源となるタルクを用いた。そしてそのハニカ
ム構造体への付着は,タルクを非水溶性の溶媒中に分散
させた溶液を塗布することにより行った。
【0035】具体的には,上記ハニカム構造体をその流
路方向(セルの長手方向)を水平な状態に保持して,周
壁および格子壁の外周部を上記溶液中に浸漬する。この
状態で,ハニカム構造体を回転させる。これにより,図
2におけるB部,つまり周壁および格子壁の外周部の全
体に溶液が塗布される。その後,エアーブロー等により
流路を妨げる余分な溶液を除去し,乾燥し,ついで,熱
処理した。
【0036】熱処理は,上記融点低下成分を付着させた
部分の融点以上で,かつ融点低下成分を付着させていな
いコーディエライト組成の融点未満の温度で行った。本
例では,大気雰囲気中で1430℃に4時間保持するこ
とにより焼成した。これにより,上記周壁12と格子壁
11の外周部112とよりなるB部は,内周部111よ
りなるA部よりも気孔率の低い緻密質となった。
【0037】次に,本例では,得られたセラミックスハ
ニカム構造体1における上記A部とB部,および全体の
特性を測定した。なお,比較のために,上記融点低下成
分の付着を行わなかったこと以外は上記と同様にして比
較材を作製し,同様に特性を測定した。
【0038】測定結果を表1に示す。なお,表1におけ
る気孔率の測定は,水銀圧入法ポロシメータを用いて行
った。熱膨張係数は,熱膨張係数測定装置を用い,室温
から800℃の範囲を測定して求めた。A軸(流路方
向)圧縮強度の測定は,オートグラフを用い,サンプル
をくり貫いて行った。アイソスタティック強度の測定
は,アイソスタティック強度測定装置により行った。
【0039】表1より知られるごとく,A部及びB部の
熱膨張係数に変化はないが,気孔率はA部よりもB部の
方が5%程度小さく緻密質となっていることがわかる。
また,そのため,B部のA軸(流路方向)圧縮強度はA
部に比べて約2倍,全体の強度を示すアイソスタティッ
ク強度は,比較材と比べて約1.5倍となった。
【0040】
【表1】
【0041】このように,本例では,セラミックスハニ
カム構造体1における周壁12および外周部112を上
記のごとく気孔率を低下させた緻密質としてある。その
ため,周壁12および外周部112よりなるB部は,こ
れよりも気孔率が高い内周部111よりも機械的強度が
向上した強化部となる。そのため,上記のごとく,格子
壁11の厚さを60μmまで薄肉化した場合において
も,周壁12および外周部112よりなる強化部の存在
によって全体の必要強度を維持することができる。
【0042】また,周壁12および外周部112の機械
的強度の向上は,上記のごとく緻密質の形成により行
い,気孔内に別材料を充填するということは行っていな
い。そのため,周壁および外周部の表面においても表面
の凹凸形状および表面積の確保を行うことができ,触媒
或いはその保持材の担持量を十分に確保することができ
る。それ故,触媒担持量の確保および早期活性化によっ
て,触媒効果を従来よりも向上させることができる。
【0043】なお,本例では,上記融点低下成分として
タルクを用いたが,必要に応じて,使用する原料の種
類,粒径,溶媒,溶液濃度,焼成温度等の熱処理条件等
を選択することによって,緻密化の度合いを変更するこ
とができる。具体的には,図示しない状態図からも明ら
かなように,タルク以外に,蛇紋石(Mg3Si2
5(OH)4),緑泥石,フォルステライト(Mg2Si
4)等のSi・Mg源,カオリン,パイロフィライト
(Al2Si410(OH)2,珪石(SiO2),二酸化
珪素等のSi源,,ブルーサイト(Mg(OH)2),
水酸化マグネシウム,酸化マグネシウム等のMg源であ
って,低融点組成となる原料であれば,適宜,融点低下
成分として選択し添加することができ,これにより上記
と同様の効果が得られる。これらのうち,本例のように
セラミックが熱膨張係数が結晶の配向性に起因するコー
ディエライトである場合には,低熱膨張性を維持するた
めに等方性の球状粒子よりタルク,カオリン等の板状,
針状,柱状等の異方性粒子を用いる方がより望ましい。
【0044】また,融点低下成分の付着方法としても,
本例の方法に代えて種々の方法を用いることができる。
たとえば,ハニカム構造の成形体の端面において,格子
壁11の内周部111に相当する部分にメクラ板を被せ
た後,一方の端面から流路方向に融点低下成分を分散さ
せた溶液を吹き付ける方法がある。また,上記B部のみ
に対応するようなリング形状のガイドあるいは吹き出し
口に沿って溶液を吹き付けて含浸させる方法等もある。
【0045】また,本例では自動車エンジン等の内燃機
関の排ガス浄化用触媒における触媒担体として使用され
るコーディエライトハニカム構造体について記述した
が,本発明を水質浄化用等のろ過フィルター等で使用さ
れる他のセラミックスハニカム構造体にも有効に使用で
きることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例における,セラミックスハニカム構
造体の斜視図。
【図2】実施形態例における,緻密質の配設位置を示す
図1M部の拡大説明図。
【符号の説明】
1...セラミックスハニカム構造体, 10...セル, 11...格子壁, 111...内周部, 112...外周部, 12...周壁,
フロントページの続き (72)発明者 中西 友彦 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 伊藤 啓司 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 3G091 AA02 AB01 AB13 BA03 BA07 BA09 BA10 BA38 BA39 FA02 FA04 FA13 FB02 FC08 GA06 GA11 GA16 GA18 GB01X GB02X GB03X GB10X GB11X GB13X GB17X 4G069 AA01 AA08 BA13B CA03 CA05 DA06 EA19 EB14Y EB15Y EB17Y ED03

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 流体の流路となる多数のセルを形成する
    格子壁と,該格子壁の周囲を覆う周壁とよりなるセラミ
    ックスハニカム構造体において,少なくとも上記周壁の
    近傍に位置する上記格子壁の外周部は,該外周部よりも
    内部に位置する上記格子壁の内周部よりも気孔率が低い
    緻密質よりなることを特徴とするセラミックスハニカム
    構造体。
  2. 【請求項2】 請求項1において,上記格子壁の外周部
    における上記緻密質の気孔率をPout,上記格子壁の内
    周部の気孔率をPinとした場合,下記の関係式で示され
    るΔPrが5%以上の範囲にあることを特徴とするセラ
    ミックスハニカム構造体。 ΔPr=−(Pout−Pin)/Pin
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において,上記格子壁に
    おける外周部の厚みは,上記セラミックスハニカム構造
    体の中心から上記周壁の内面までの距離の1.2%以上
    であることを特徴とするセラミックスハニカム構造体。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項において,
    上記外周部における緻密質の気孔率は,内側から外側に
    向けて徐々に低下していることを特徴とするセラミック
    スハニカム構造体。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項において,
    上記格子壁における上記外周部の厚さは上記内周部の厚
    さよりも0〜400%大きいことを特徴とするセラミッ
    クスハニカム構造体の製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項において,
    上記格子壁における内周部と外周部との境界領域は,外
    周部から内周部に向かって徐々に厚さが小さくなるよう
    構成してあることを特徴とするセラミックスハニカム構
    造体。
  7. 【請求項7】 請求項1〜6のいずれか1項において,
    上記格子壁の外周部と内周部における熱膨張係数の差
    は,±0.5×10-6/℃の範囲内であることを特徴と
    するセラミックスハニカム構造体。
  8. 【請求項8】 流体の流路となる多数のセルを形成する
    格子壁と,該格子壁の周囲を覆う周壁とよりなり,少な
    くとも上記周壁の近傍に位置する上記格子壁の外周部
    は,該外周部よりも内部に位置する上記格子壁の内周部
    よりも気孔率が低い緻密質よりなるセラミックスハニカ
    ム構造体を製造する方法であって,上記緻密質の形成
    は,上記セラミックスハニカム構造体を構成する材料の
    融点を下げる融点低下成分を,少なくとも上記ハニカム
    構造体の上記格子壁の外周部に付着させた後,熱処理す
    ることにより形成することを特徴とするセラミックスハ
    ニカム構造体の製造方法。
  9. 【請求項9】 請求項8において,上記融点低下成分に
    おける,K,Na,Ca等のアルカリ金属およびアルカ
    リ土類金属の含有量は0.5wt%未満であることを特
    徴とするセラミックスハニカム構造体の製造方法。
  10. 【請求項10】 請求項8又は9において,上記格子壁
    の外周部には,内側から外側に向けて徐々に付着量が増
    加するように上記融点低下成分を付着させることを特徴
    とするセラミックスハニカム構造体の製造方法。
  11. 【請求項11】 請求項1〜7のいずれか1項に記載の
    セラミックスハニカム構造体に触媒成分を担持させてな
    るセラミックスハニカム構造触媒。
  12. 【請求項12】 請求項1〜7のいずれか1項に記載の
    セラミックスハニカム構造体に触媒成分を担持させるこ
    とを特徴とするセラミックスハニカム構造触媒の製造方
    法。
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