金屬材料具備優異的機械性能、輕量化、耐腐蝕、磁屏蔽、可循環等功能特性。隨著全球產業發展正朝著環境可持續、5G通信發展、航天科技等方向推進，以新能源汽車為例，其結構件需同時具備輕量化、高強度及減震特性，以實現減輕車身重量、提升安全性、延長續航里程以及大功率快速充放電等效果。

本文收集整理了國內外先進金屬材料的發展需求及應用趨勢，助力產學研相關研發人員快速明確新材料研究方向，精準把握未來新興產業的應用發展需求。

一、前言

隨著全球變暖引發日益嚴重的極端氣候——例如強度不斷升級的臺風/颶風、愈發頻繁的干旱與野火、強度加劇的強降雨，以及南北極升溫導致極地渦旋穩定性下降引發的暴風雪等，國際社會的環保意識逐步覺醒，普遍呼吁產業發展需加速布局綠能領域，減少溫室氣體排放并推進節能降耗，推動各國實現2030 年減碳50%、2050年達成碳中和的目標。可持續發展已成為當前產業發展的核心考量議題，而輕量化則是金屬產業現階段的主要發展方向。

另一方面，全球正面臨制造業區域化、碳中和推進、大規模傳染病等多重因素影響，引發供應鏈中斷、原材料價格上漲、信息通信產業加速發展、防疫抗菌需求凸顯、太空相關產業快速興起等一系列變化，顯著推動了功能性金屬材料的開發需求。

全球減碳政策推動車輛產業向低耗能、低排放、低污染方向轉型，燃油車禁售政策逐步落地，電動化已成為全球車企的核心布局重點。對于新能源汽車而言，除傳統安全性要求外，節能減排趨勢促使高強度、耐碰撞且輕量化的金屬材料需求持續旺盛。

此外，汽車電動化還推動材料開發需求從車體結構延伸至電池殼件、充電樁材料等領域，成為創新應用的重要方向；

在通信產業，遠程辦公、在線教育等應用普及，推動5G技術快速落地，具備電磁屏蔽、高散熱、耐腐蝕特性的金屬基復合材料成為理想選擇；

在太空產業，SpaceX提出的星鏈計劃極具代表性，通過部署低軌道衛星構建覆蓋全球、不受地形限制的信息通信網絡，而低軌衛星對材料的輕量化、高強度、高剛性、低熱膨脹系數要求極高，同時需適應外層空間大范圍溫度循環與高輻射環境，因此耐疲勞、抗輻射性能成為材料必備特性；

在海洋科技產業，無論是國防領域，還是能源領域的風電綠能發展，高強度耐腐蝕金屬材料的開發均不可或缺；

在醫療產業，抗生素濫用引發的相關問題，使得抗菌醫療材料的開發需求日益凸顯。

目前，功能性金屬材料的開發與品類主要包括先進鋼材、高強度鋁合金、新型銅合金、有色金屬復合材料四大類，以下將逐一介紹近年來各品類的創新應用趨勢。

二、先進鋼材

鋼材可應用于環境溫度-196℃~650℃、機械強度100~5000 MPa及耐腐蝕場景，是目前應用最廣泛的金屬材料，常見于建筑、車輛、能源、機床、石化、國防、民生等產業，屬于國家產業經濟發展的基礎材料。

根據ENERGY社群網站報道，2020年全球鋼產量約為18.64億噸，瑞典將于2024年建成全球最大氫能煉鋼廠，推動鋼材向綠色化方向發展。

先進鋼材的開發以輕量化高強度、適應嚴苛工況、易加工成型、低成本等為目標，以下將介紹先進高強度鋼及高氮鋼這兩類具有應用發展潛力的鋼材。

（一）先進高強度鋼

先進高強度鋼種類繁多，包括雙相鋼（Dual Phase, DP）、復相鋼（Complex-Phase, CP）、馬氏體鋼（Martensitic, MS）、相變誘發塑性鋼（Transformation-Induced Plasticity, TRIP）、熱沖壓鋼（Hot-Formed, HF）、孿生誘發塑性鋼（Twinning-Induced Plasticity, TWIP）等。

先進高強度鋼的特性對比及在汽車產業的應用如表1所示。從第一代、第二代先進高強度鋼的開發歷程來看，通過材料成分設計與制程溫度條件控制，可精準調控鋼材內部微觀組織，獲得所需的強度、塑性、韌性及疲勞性能，從而滿足新能源汽車對薄規格輕量化、高強度復雜結構的設計需求—— 在車體碰撞區提升撞擊能量吸收能力，在乘員艙區域增強結構強度，使先進高強度鋼的功能表現遠超傳統碳鋼，成功實現鋼板減薄與安全性兼顧，車體結構減重達 39%。

目前，全球主流鋼廠正積極投身第三代先進高強度鋼的研發，目標產品需同時具備拉伸強度超1000 MPa、延展性30%以上、易加工成型等特性。該類鋼材通過特殊合金化與熱機成形制程技術，實現強度與延展性的優化匹配；相較于第一代產品，其通過制程優化大幅提升了延展性與成形性，例如中錳鋼經奧氏體逆轉變回火制程（Austenite Reversion Tempering-annealing, ART-annealing）處理后，可達到800-1500 MPa的拉伸強度與30-45%的延展性；與第二代產品相比，第三代先進高強度鋼更強調減少合金元素用量，以進一步降低生產成本、提升連接效率。

為加速材料開發進程，國內外產學研機構已引入集成計算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering, ICME）等數字化材料設計方法。現階段，先進高強度鋼已成功應用于汽車產業，未來其應用領域將進一步拓展至軌道交通、能源、基礎設施、船舶、航天等產業。

（二）高氮鋼

高氮鋼材料中氮含量為0.4~1.0 wt%，品類包括低鎳高氮、無鎳高氮不銹鋼及合金鋼，可應用于高溫耐磨機械軸承與襯套、耐高壓低溫容器及耐腐蝕無過敏反應醫用材料等領域。

氮元素能夠提升鋼材的力學、腐蝕及耐候性能，提高氮含量主要采用高壓冶煉技術和常壓氮化物添加兩種方式，氮原子可嵌入鐵晶格形成穩定的固溶相。

添加鉻、鉬、釩、硅等合金成分，可助力鋼水提升氮含量（如圖1所示）；再通過熱機處理技術控制相變，將氮原子固定于鐵晶格內，實現固溶強化——使位錯和晶界難以移動，從而提升材料硬度、屈服強度與抗蠕變能力，尤其在耐局部腐蝕、晶間腐蝕、點蝕及間隙腐蝕等耐腐蝕性能上同步提升。通過控制焊接工藝條件與氮氣保護氣氛，可改善鋼材的焊接性能并維持接合強度。

由于減少了鎳的添加量，該材料應用于生物醫藥產業時可解決人體過敏問題；同時，高氮含量也提升了材料整體力學性能，突破嚴苛環境限制，大幅提高了結構材料應用的可靠性。德國研究團隊將 P2000（無鎳高氮奧氏體鋼 X13CrMnMoN18-14-3）這種兼具高強度、高延展性與耐腐蝕性的高氮奧氏體鋼，應用于骨科手術醫用材料，其性價比均優于傳統316L、Ti6Al4V或CoCrMo醫用材料。

國內已成功開發出氮含量0.09 wt% 的馬氏體相耐蝕高強度不銹鋼材料，其力學強度為530~545 MPa，耐腐蝕試驗1200小時以上無銹蝕（SUS420及SUS304 在鹽霧試驗600小時時均出現銹蝕）。該材料可用于生產一體化建筑用鉆尾螺絲（如圖2所示），螺絲中心硬度（HV）達 605、外部硬度（HV）達 642，相比傳統兩截式鉆尾螺絲，省去了焊接、電鍍等生產工序，加工成本降低 20% 以上，不銹鋼扣件使用壽命延長50%以上，未來可應用于太陽能面板在農業附屬設施的固定等場景。

三、先進鋁合金

鋁是地球上含量最豐富的金屬元素，其密度為2.7g/cm3（僅為鋼鐵的 1/3）。鋁具備高強度、耐腐蝕、易加工、無低溫脆性、導熱/導電性能優良、反射性強、無磁性、無臭、無毒、不易燃、抗輻射等特性。

據全球鋁材市場應用趨勢分析，工業用鋁廣泛應用于交通、建筑、包裝等領域（如圖3所示），其中交通和建筑是主要需求領域，各占25%，其次是包裝（17%）和電子（12%）。

全球鋁資源來源包括原生鋁和再生鋁，針對原生鋁生產及鋁制品循環再利用，世界各國均朝著低耗能、低碳排放的方向推進。

在低耗能方面：生產原生鋁錠所需的能源已從17.5 kwh/kg降至11.5 kwh/kg；而再生鋁錠所需能源僅為原生鋁的5%以下（0.6 kwh/kg）。

在低碳排放方面：力拓（Rio Tinto）推出的全球首款經認證的低二氧化碳原生鋁產品Renew Al，以及俄鋁推出的低碳鋁品牌ALLOW，均可實現每生產一噸鋁排放約3噸二氧化碳，遠低于全球平均水平。

（一）中/高強度鋁合金

中/高強度鋁合金的拉伸強度大于480 MPa，主要包括2系Al-Cu-Mg、5系 Al-Mg、6系Al-Mg-Si及7系Al-Zn合金。

以6系鋁合金為例，該合金屬于熱處理型耐腐蝕材料，經二次加工后通過固溶與時效處理提升強度；Space X 公司開發的高強度高硬度Al-Mg合金應用于先進火箭，解決了低軌道衛星火箭發射中使用環保型高濃度過氧化氫（H?O?）燃料（替代聯氨（N?H?））時產生的材料兼容性問題，而6063鋁合金對過氧化氫兼容性高且耐高壓，可用于新型燃料箱的設計開發。

此外，國際電動車標桿企業特斯拉（Tesla）為合理控制產品制造成本，開發了大型一體化壓鑄工藝并搭配新型高導電高強度鋁合金材料，成功簡化生產流程，提升了壓鑄鋁合金車架的整體性能與安全性，使電動車輛售價更具親民性。

隨著蘋果（Apple）等 3C 企業、宜家（IKEA）等家具企業、可口可樂（Coca-Cola）等飲料企業等國際標桿企業逐步要求供應鏈提高再生鋁料使用比例（由于再生鋁料循環過程所需電力僅為原生鋁（鋁土礦精煉與電解）生產電力需求的5%），產品向節能減碳方向發展的趨勢日益明顯。

其中，7系航天級鋁合金強度超過700 MPa，鐵和硅是兩大關鍵影響元素，但在加工與循環過程中會導致鐵含量累積，因此需將鐵含量控制在0.15 wt% 以下——通過除鐵技術避免富鐵相（Al?Fe、α-AlFeSi、β-AlFeSi）形成，維持材料的成形性與力學性能，即可將大量航天加工再生料應用于高端低碳綠色產品。

此外，歐盟CORDIS科研平臺研發的循環鋁材除鐵技術，解決了車輛產業5 系、6系鋁合金報廢產品回收循環后重返產業應用的問題。

（二）泡沫鋁合金

超輕量化泡沫鋁合金相較于實體材料，具有輕量化（密度 0.07~1.0 g/cm3）、吸收震動沖擊能量（沖擊能量吸收量1.0 MJ/m3）、絕熱隔音（熱導率 0.3~35.0 W/m?K）等功能特性。根據內部孔洞分布特征，泡沫鋁合金可分為開放式（Open cell）和封閉式（Closed cell）兩類，其制備工藝主要包括直接發泡法（Direct foaming）和間接發泡法（Indirect foaming）：直接發泡法是將高壓氣體通入熔融金屬液中，使細微氣泡均勻分散于金屬液內；間接發泡法則是添加發泡劑（如TiH?）制備預發泡坯料，再經加熱完成發泡。

日本Shiko Wire公司采用砂型鑄造工藝，開發出減震降噪橫梁并應用于機床——該橫梁外殼采用 AlZn10Si8Mg 合金，內部填充ALPORAS封閉式泡沫鋁芯材（AlCa1.5Ti1.5合金）。盡管結構件制造成本略有增加，但在370 Hz振動頻率下，可實現60%的震動衰減與噪音降低，目前已成功應用于七百多臺機床。

此外，奧地利理工學院與寶馬（BMW）合作，通過鑄造工藝開發出內嵌復合泡沫鋁合金的引擎支架，兼具輕量化與沖擊吸收特性；近期更整合泡沫鋁合金的輕量化、減震及電池溫度穩定功能，將其應用于電動車電池殼體設計（如圖 4 所示）。

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四、新型銅合金

銅金屬具備優良的導電/導熱性能、延展性佳、易加工成型及抗菌效果（僅次于銀），但存在強度低易變形、硬度低不耐磨的缺點，可通過合金設計及制程控制加以改善。

據2019年銅應用需求統計，其應用領域包括設備制造（31%，如計算機）、建筑（28%，如通訊系統）、基礎設施（16%，如電力裝置）、交通運輸（13%，如電動車輛）及工業制造（12%，如馬達）。

銅因導電性能優異，常用于電子產業制造高導電線路；銅合金則通過添加不同元素，調整材料的結構強度、散熱性及抗腐蝕特性，以滿足能源、石化及船舶產業的應用需求。

隨著產業形態與生活環境的變化，工業4.0推動無人工廠發展，車輛電動化趨勢日益顯著，高性能銅合金的研發與應用也隨之加速。以下介紹兩類銅合金的發展趨勢。

（一）高強高導銅合金

鈹銅是最早開發的兼具高強度與高導電性能的銅合金，通過添加1-2 wt%的鈹元素，經均質化、熱軋、固溶、冷軋及時效等工藝處理，可獲得遠超普通銅合金的力學性能——拉伸強度達1200-1400 MPa，硬度為354-390 VHN；此外，鈹銅的導電率為22-28% IACS（鋼鐵為 2-3% IACS），導熱率為105 W/m?K（鋼鐵為80 W/m?K）。憑借強度與導電導熱性的優異結合，鈹銅廣泛應用于電子組件、航空及車輛產業。

然而，鈹具有毒性，被列入歐盟《有害物質限制使用指令》（Restriction of Hazardous Substances, RoHS）規范；美國職業安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration, OSHA）明確指出，接觸鈹的工作人員罹患慢性鈹病、鈹中毒及肺癌的風險會顯著增加。

為替代有毒的鈹銅，一系列高強高導銅合金的研發應運而生。有學者提出將鐵與銅結合，希望將鐵的強度、硬度及磁性引入銅合金，開發兼具高導電、高導熱、高強度及抗腐蝕特性的材料。

從相圖分析，鐵在銅中的固溶度不足3 wt%，多余的鐵會在凝固過程中析出，形成雙相結構的銅鐵合金（Copper Ferro Alloy, CFA）。但由于鐵的偏析特性，制造成分與微觀結構均勻的銅鐵合金難度較大。

隨著冶煉技術的進步，銅鐵合金已實現商業化，如CFA95、CFA90及CFA70 分別代表鐵含量為5 wt%、10 wt% 及30 wt% 的銅鐵合金，通過調控鐵含量可優化合金的導電性、導熱性、電磁屏蔽性能及強度，以適配不同應用場景。

例如，CFA95的導電率為47% IACS，拉伸強度約550 MPa，在1-1000 MHz 頻段（影響計算機設備的關鍵頻率范圍）的電磁屏蔽效能可達70 dB，可廣泛應用于汽車、電氣、電子、通訊等產業。

其中，CFA95銅箔可包覆在電纜表面作為電磁屏蔽及保護材料，其高導電、高強度及優異電磁屏蔽性能的線材可制成電器、電子、通訊產品及機器人的連接端子。

高強高導銅合金的核心性能指標為拉伸強度500-900 MPa、導電率45-80% IACS，其設計方法與熱機處理工藝已逐漸成熟。以 Cu-Ni-Si 合金體系為例，添加鉻或鐵并經低溫時效熱處理，可析出大量細小的第二相粒子，大幅降低銅基體中鎳和硅的固溶量，從而顯著提升合金的強度與導電性。

QuesTek公司進一步推進了該領域的理論研究與應用，通過計算機模擬及人工智能算法，快速設計出可應用于航天產業的高強度無鈹銅合金Cuprium，該合金通過十幾納米的析出相強化，屈服強度達980 MPa，延展性為15%。

各類高強高導銅合金的拉伸強度與導電率分布如圖 5 所示，其中Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等合金體系已實現商業化，例如美國環球金屬（Global Metal）開發的 C19400（CuFeP 體系）和 C70250（CuNiSi 體系），日本三菱材料（Mitsubishi Materials）開發的 TAMAC194（CuFeZnP 體系）和 MZC1（CuCrZr 體系）。

目前，此類新型高強高導銅合金已應用于電力、電子、機械及汽車領域的端子連接器。在車輛產業，全球節能減排浪潮推動電動車成為未來發展趨勢，其快速充電技術需將電壓提升至400 V 左右，因此充電裝置連接器材料的導電性至關重要，以避免大電流導致的材料過熱；同時，充電裝置的頻繁插拔要求連接器材料具備高強度與耐磨性，這也是未來的核心發展方向。

在電子產業，隨著技術快速迭代，IC 封裝用導線架對材料的 “輕薄短小” 要求日益嚴苛，需兼具支撐芯片內部結構的強度（550-650 MPa）與高效的電 / 熱傳輸性能（導電率 80-85% IACS），目前CuFeP 及 CuCrZr 系列高強高導銅合金是導線架的主流材料。

（二）抗菌銅合金

長效型抗菌銅合金可應用于居家防疫用品，包括常接觸的開關、按鍵、握把、扶手、盥洗用具及紡織品；此外，應用于船舶（如船底）與養殖產業（如箱網）時，可延緩生物附著（如藤壺），從而降低人力維護成本。

銅合金的滅菌機理由多種因素構成，銅合金中釋放的銅離子（包括 Cu?及 Cu2?），能夠干擾多種微生物的代謝活性，并破壞其細胞 DNA 的完整性。

目前銅離子已逐漸開始替代銀離子用于抗菌領域。盡管銀的抗菌效果最佳，但銀離子或納米銀會通過皮膚進入人體，導致體內重金屬累積，長期下來有損健康；銅是人體必需的微量元素（僅次于鐵和鋅），而人體并不需要銀元素，進入人體內的銅元素可通過新陳代謝排出體外。因此，銅合金的人體親和性更佳，且材料價格相較于銀更具優勢，更適合導入民生產業的高值化防疫科技應用。

五、金屬基復合材料

根據全球金屬基復合材料（Metal Matrix Composites, MMC）及纖維金屬層壓板（Fiber Metal Laminate, FML）市場調查報告，MMC產業需求量從2012年的 5 千噸（當年產值2.3億美元）增長至2019年的7千噸（當年產值4億美元）；FML產業產值預計從2022年的200萬美元增長至2027年的330萬美元，年復合增長率為 10%。

金屬基復合材料是指將兩種及以上異種材料混合制備而成的材料，常用制備方法包括：一是將強化體與金屬母材按不同比例混合，使強化體均勻分散于金屬母材中，其中強化體材料涵蓋碳化物（如碳化硅）、氧化物（如氧化鋁）、氮化物（如氮化鋁）及碳材料（如石墨）等；二是采用板材堆疊方式，通過界面結合技術將金屬板與纖維板（如碳纖維）復合，制成層狀復合板材。

通過兩種及以上材料的復合應用，可突破單一金屬材料的性能局限，實現產品性能升級。以下將以鋁基復合材料與銅基復合材料為例，說明其產業應用趨勢。

（一）鋁基復合材料

在汽車產業的耐磨活塞零部件開發中，已將原本的鑄鐵材料替換為鋁合金材料，同時添加石墨粉末，并通過離心鑄造技術使石墨粒子均勻分布于引擎活塞套筒內壁。

當活塞系統運作時，石墨粒子可增強活塞與內壁間的潤滑效果；同時，采用輕量化鋁合金材料也提升了燃油轉換效率。Al-Graphite（鋁 - 石墨）復合材料優化了引擎活塞系統的導熱性、耐高溫性、耐高壓性、抗腐蝕性、低熱膨脹性及潤滑性能，讓汽車實現省油、運轉順暢且穩定的效果。

Al-SiC（鋁-碳化硅）系列材料被開發應用于耐磨及散熱類產品。針對高性能機床對加工效率、精度及可靠性的產業應用需求，Al-SiC材料被用于機床內部結構件，可減少設備運作過程中的震動，避免加工刀具長時間工作時出現溫度升高及結構件熱變形的問題，同時確保零部件在往復運動時不易磨損。例如，日本精密陶瓷株式會社（Japan Fine Ceramics Co., Ltd., JFC）通過鑄造法制備了代號為 SA301、SA401 的鋁合金材料，布局高可靠性結構件的開發應用。

絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）廣泛應用于電動車及軌道車輛，為滿足快速充放電需求，高可靠性散熱模塊已無法采用銅作為散熱材料。Al-SiC 材料具備低密度（2.9 g/cm3）、低熱膨脹系數（13×10??/K）及優異的散熱性能（155 W/m?K），可有效延長電力系統中交流電動機輸出控制電子零件的使用壽命。

電子通訊產業隨著通信頻率邁向28 GHz（5G 毫米波）、電磁波輻射增益（Gain）≥5.0 dBi，需解決金屬殼件導致的信號屏蔽難題。通過異質混成板材設計，研發出兼具金屬機械性能、質感與熱塑性復合材料輕量化、可回收利用特性的混成板材（Hybrid Laminated Material）—— 金屬板與復合材料層間嵌入陣列天線的設計示意圖如圖 6 所示，可有效破解 5G 毫米波通訊中的金屬信號屏蔽（Signal Shielding）問題。

從全球混成材料的發展及應用概況來看，纖維金屬層壓板（Fiber Metal Laminate, FML）的材質包含金屬（鋁/鈦/鋼/鎂等）、纖維（玻纖/碳纖等）、樹脂等，應用領域以交通運輸、航天為主，近年來在消費性電子產品等新興領域的應用也逐漸起步。

此外，纖維金屬層壓板中，復合材料的樹脂材料以往多以熱固性高分子為主，受環保等因素影響，正逐漸由熱塑性高分子替代；而復合材料的纖維材料多以聚丙烯腈系（PAN）為主，但若需對高剛性結構材料進行補強，則多采用瀝青系（Pitch）纖維。

（二）銅基復合材料

多篇文獻研究表明，為突破純銅材料的熱導率瓶頸并提升其力學性能，可在銅基體中添加高導熱率碳材料，包括單層結構納米碳管（約 3500 W/（m?K））、多層結構納米碳管（約 3000 W/（m?K））、碳纖維（約 1000 W/（m?K））、石墨烯（1500~5300 W/（m?K））及石墨（約 2000 W/（m?K））。其中成本最低的石墨材料極具發展潛力，在銅箔中添加30~70 vol%的片狀石墨后，材料熱導率可達503~741 W/（m?K）（純銅熱導率為 400 W/（m?K））；此外，銅-碳基復合材料的熱膨脹系數約為3~10×10??/K（純銅為 16.5×10??/K），可有效解決熱變形問題。

由于銅基復合材料具備優異的熱管理功能，能夠滿足未來電子產品及電動化交通工具大功率快速充放電所需的高散熱需求；不過，目前該類銅基復合材料仍處于開發階段，相關理論機制尚未完全明確。

當前，向銅基金屬中添加石墨烯或納米碳管的主要制備工藝包括熱等靜壓工藝（Hot Isostatic Pressure, HIP）、粉末冶金（Powder Metallurgy, PM）及放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering, SPS），相關研究正蓬勃開展，散熱效率大幅提升的銅基復合材料將成為熱管理工程領域的重要突破。

六、結論

整體而言，金屬材料的開發與應用與全球產業趨勢緊密相關。隨著全球變暖、5G落地、低軌衛星布局等新興議題的涌現，金屬材料正朝著特定或多重功能性方向快速發展。

因此，除新型合金材料的研發外，添加陶瓷或高分子強化體的金屬基復合材料及混成材料也在蓬勃發展，其核心目的均是服務于新興產業需求，實現節能、減碳、減震、輕量化、優異力學及物理性能、耐環境腐蝕、抗菌等成效。

本文作為回顧性文章，通過系統盤點，介紹了先進鋼材、先進鋁合金、新型銅合金及有色金屬基復合材料的發展特性與應用領域，期望幫助讀者快速掌握相關產業的最新發展趨勢及各類金屬材料的應用現狀。

來源：莊文碩等，先進功能性金屬材料創新應用趨勢，SEP2021工程?94卷03期

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