張頤年, 喬建江
(華東理工大學(xué)安全工程咨詢中心,上海 200237)
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高熱穩(wěn)定性可共晶鉀鹽復(fù)合物的研究
張頤年, 喬建江
(華東理工大學(xué)安全工程咨詢中心,上海 200237)
研究了KCl、KBr和K2SO4三元復(fù)合物的共晶行為、耐溫性能、影響規(guī)律及具有低熔和高耐溫性能可共晶復(fù)合物的配方。結(jié)果表明:復(fù)合物中的成分只有達(dá)到一定濃度,才能形成共晶混合物;KCl、KBr和K2SO4三者對(duì)共晶形成的影響程度不同,影響程度從強(qiáng)到弱的次序?yàn)镵Br>KCl>K2SO4;復(fù)合物組成存在最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù):KCl 20%~30%,KBr 20%~40%,K2SO430%~40%,在此質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,復(fù)配物具有最大的可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)。共晶復(fù)合物的耐溫性能與其組成相關(guān),當(dāng)KCl、KBr、K2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、30%、40%時(shí),共晶復(fù)合物達(dá)到最高耐熱溫度(717 ℃),復(fù)合物同時(shí)具有最低的熔點(diǎn)(662 ℃)。實(shí)驗(yàn)室制得的鉀鹽復(fù)合物干粉與市售產(chǎn)品相比,具有熔點(diǎn)低、分解溫度高的特點(diǎn)。
共晶行為; 熱穩(wěn)定性; 金屬火災(zāi)滅火劑; 金屬火災(zāi)
金屬火災(zāi)事故頻發(fā),尤其是造成昆山8.2事故、天津瑞海事故的原因,除了有安全管理方面的原因外,更重要的是金屬火災(zāi)滅火劑應(yīng)用與研發(fā)不足的原因。目前,金屬火災(zāi)滅火劑的研究處于嚴(yán)重不足的狀態(tài),且真正投入實(shí)際應(yīng)用的金屬火災(zāi)滅火劑品種也僅有石墨、NaCl等寥寥數(shù)種[1-4]。
金屬火災(zāi)滅火劑的主要滅火原理是滅火劑吸熱降溫及吸熱熔融后,在金屬表面形成持續(xù)覆蓋,通過隔絕空氣窒息火災(zāi),實(shí)現(xiàn)滅火的目的。其中,窒息作用是金屬火災(zāi)滅火的根本原理。因此,熔點(diǎn)低、耐溫性能好是金屬火災(zāi)滅火劑最重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。從文獻(xiàn)看,現(xiàn)有金屬火災(zāi)滅火劑的主要成分多為以氯化鹽為主的單組分無機(jī)鹽和以NaCl、KCl等為主的二元復(fù)合物[5-8]。單組分的無機(jī)鹽熔化溫度高,難以在火勢(shì)初期形成熔融液態(tài)及對(duì)金屬形成嚴(yán)密覆蓋,故無法產(chǎn)生良好窒息作用;二元復(fù)合物無機(jī)鹽雖然熔點(diǎn)有一定程度的降低,但若復(fù)配比例不適當(dāng),可能導(dǎo)致無機(jī)鹽不共晶,沒有穩(wěn)定的熔化溫度,無法適應(yīng)不同金屬的火災(zāi),且現(xiàn)有的二元復(fù)合物多為鹵系的鉀鹽或鈉鹽,耐溫性能較差,會(huì)在火場(chǎng)或高溫條件下分解而失去覆蓋窒息作用,導(dǎo)致滅火作用下降?,F(xiàn)有的研究中,鮮有對(duì)三元復(fù)合物金屬火災(zāi)滅火劑的報(bào)道。三元復(fù)合物金屬火災(zāi)滅火劑具有以下特點(diǎn):(1) 可進(jìn)一步降低復(fù)合物的熔點(diǎn);(2) 在一定的比例下,有較寬的共晶范圍;(3) 通過各組分的協(xié)同作用或單組分本身的物理化學(xué)性質(zhì),可提高復(fù)合物的分解溫度,增強(qiáng)耐溫性能。因此,研究有高熱穩(wěn)定性、可共晶范圍寬的三元復(fù)合物是金屬火災(zāi)滅火劑研究的趨勢(shì)。
本文在篩選工作的基礎(chǔ)上,選擇KCl、KBr和K2SO4為考察對(duì)象,研究其共晶行為及熱穩(wěn)定性能,旨在為金屬火災(zāi)滅火劑的研制提供科學(xué)的依據(jù)和指導(dǎo)。
1.1 三元共晶組分的篩選與確定(試劑與藥品)
第一主族,即堿金屬鹽類,其滅火能力強(qiáng)于其他主族和過渡金屬陽離子鹽的滅火能力,且隨著原子質(zhì)量的增加,主族金屬鹽類的鍵能、活化能和晶格能均下降,熔化或打破離子晶體時(shí)所需能量小,滅火能力隨之增加,滅火能力從弱到強(qiáng)依次為:鋰鹽<鈉鹽<鉀鹽<銣鹽<銫鹽[9-11]。但銣和銫屬于稀有金屬,成本高且不常見,因此,考慮到鉀鹽抑制作用較強(qiáng)且成本低的特點(diǎn),本文以鉀鹽為研究對(duì)象,考察其作為金屬火災(zāi)滅火劑的可行性。在常見的鉀鹽中,K2CO3極易吸濕轉(zhuǎn)換為KHCO3,在火場(chǎng)中釋放出水和二氧化碳,與金屬反應(yīng),加劇火勢(shì);KNO3本身有助燃性;K3PO4有強(qiáng)腐蝕性和吸濕性,對(duì)儲(chǔ)存要求嚴(yán)格,因此這3種鉀鹽不適合作為金屬火災(zāi)滅火劑的核心組分。在其余常見鉀鹽中,KCl和KBr有較低的熔點(diǎn),容易形成液態(tài)覆蓋,K2SO4有較高的沸點(diǎn),在高溫下不容易分解。因此,本文選擇KCl、KBr、K2SO4(均為分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)的三元復(fù)合物為研究對(duì)象,考察其共晶行為和熱穩(wěn)定性。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備
AL104型分析天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;研缽;HCT-3型綜合熱分析儀,北京恒久科學(xué)儀器廠。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
(1) 干燥:將制備的樣品置于烘箱內(nèi)干燥至恒重。烘干溫度105 ℃;烘干時(shí)間≥24 h。烘干后的樣品密封保存于干燥器中,備用。
(2) 試樣的稱量與配置:按照設(shè)定計(jì)算組分質(zhì)量;用分析天平分別稱量干燥的KCl、KBr和K2SO4樣品;將樣品置于研缽中混合、研磨。研磨后的粉體先過100目(150 μm)篩,再過80目(180 μm)篩,將能通過100目篩且不能通過80目篩的粉體取出、備用。上述的研磨過篩方法,可保證粉體粒徑為80~100目(150~180 μm),粉體粒徑相差不大。
(3) 共晶及熔點(diǎn)測(cè)定:采用差熱分析(DTA)模塊測(cè)定樣品熔點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中加熱速率為20 ℃/min,初始溫度為室溫,終止溫度為1 000 ℃,氣氛為氮?dú)?氮?dú)鈿饬魉俾蕿?00 mL/min。每個(gè)熔點(diǎn)值測(cè)定3次,取平均值。
(4) 熱穩(wěn)定性測(cè)定:采用熱重分析(TG)模塊測(cè)定樣品初始分解溫度。實(shí)驗(yàn)中加熱速率為20 ℃/min,初始溫度為室溫,終止溫度為1 000 ℃,氣氛為氮?dú)?氮?dú)鈿饬魉俾蕿?00 mL/min。每個(gè)分解溫度值測(cè)定3次,取平均值。
2.1 復(fù)合物共晶行為的確定
依據(jù)共晶原理,當(dāng)復(fù)合物的組成達(dá)到一定比例時(shí),復(fù)合物可以形成低共熔混合物,有穩(wěn)定的熔融溫度。所以,通過測(cè)定復(fù)合物的熔點(diǎn),可以對(duì)復(fù)合物能否形成共晶物作出判斷。圖1和圖2示出了復(fù)合物的DTA測(cè)定曲線。
圖1結(jié)果表明,當(dāng)KCl、KBr和K2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%、10%和40%時(shí),復(fù)合物可以產(chǎn)生熔點(diǎn)吸收峰,即復(fù)合物可以形成共晶。
圖2結(jié)果表明,當(dāng)KCl、KBr和K2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、10%和80%時(shí),復(fù)合物沒有吸熱峰產(chǎn)生,即復(fù)合物沒有形成共晶,沒有確定的熔點(diǎn)。
圖1 試樣(w(KCl)=50%、w(KBr)=10%,w(K2SO4)=40%) DTA測(cè)定曲線
圖2 試樣(w(KCl)=10%、w(KBr)=10%,w(K2SO4)=80%) DTA測(cè)定曲線
2.2 各組分對(duì)復(fù)合物共晶行為的影響
不同組分以及同一組分的不同含量,對(duì)復(fù)合物的共晶行為都會(huì)產(chǎn)生影響。為了研究不同組分對(duì)共晶行為的影響程度,本文分別研究了KCl、KBr和K2SO4對(duì)復(fù)配物共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的影響。
圖3和圖4分別示出了不同KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下KBr和K2SO4可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的測(cè)定結(jié)果。由圖3和圖4可以看出:(1)隨著KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,KBr和K2SO4的可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)都相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí),KBr和K2SO4的可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大;當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),二者的可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小;二者都存在最大可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù),均為50%。(2) KBr和K2SO4可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值時(shí)的KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間,呈現(xiàn)確定的規(guī)律性,即當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于20%~30%時(shí),KBr和K2SO4的可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%,均達(dá)到最大共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象可能的原因是,當(dāng)KCl在復(fù)合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于20%~30%時(shí),KCl對(duì)其他復(fù)配物的影響程度是一致的,KCl粉體顆粒與其他復(fù)配物的接觸界面更為平滑、緊致,從而更容易形成非金屬-非金屬型的共晶結(jié)構(gòu)[12-13],使其他復(fù)配物的可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在50%這一最大可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
圖3 KCl對(duì)KBr可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Influence of KCl on the eutectic scope of KBr
圖4 KCl對(duì)K2SO4可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Influence of KCl on the eutectic scope of K2SO4
進(jìn)一步的研究表明,KBr和K2SO4對(duì)共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律性,即二者都存在最佳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間,在這樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi),其復(fù)配物可呈現(xiàn)最大的共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖5~圖8示出了KBr和K2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí),其復(fù)配物共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況。
圖5 KBr對(duì)KCl可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Influence of KBr on the eutectic scope of KCl
各組分對(duì)復(fù)配物共晶行為的影響見表1。
依據(jù)金屬火災(zāi)滅火劑的滅火原理,滅火劑需形成共晶復(fù)合物。從有利于形成共晶物的角度,可以確定兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),以衡量不同組分對(duì)共晶物形成的影響程度。一是使復(fù)配物達(dá)到最大共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的區(qū)間,該區(qū)間越寬越有利于形成共晶;二是形成上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間的起始質(zhì)量分?jǐn)?shù),該質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低越有利于共晶的形成。
圖6 KBr對(duì)K2SO4可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的影響Fig.6 Influence of KBr on the eutectic scope of K2SO4
圖7 K2SO4對(duì)KCl可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的影響Fig.7 Influence of K2SO4 on the eutectic scope of KCl
圖8 K2SO4對(duì)KBr可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的影響Fig.8 Influence of K2SO4 on the eutectic scope of KBr
ComponentMassfractionscopewithwidesteutecticscopeKCl20%~30%KBr20%~40%K2SO430%~40%
由表1可以看出,KBr使復(fù)配物達(dá)到最大共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的區(qū)間最寬,且起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低;KCl使復(fù)配物達(dá)到最大共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與K2SO4的相同,但其起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于K2SO4的起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)。據(jù)此判斷,3種組分中,KBr對(duì)復(fù)合物共晶行為的影響最大,其次是KCl,最后是K2SO4。
造成上述結(jié)果可能的原因是,共熔復(fù)合物的熔點(diǎn)一般低于熔點(diǎn)最低的組分,在本復(fù)合物中,KBr本身具有較低的熔點(diǎn),為730 ℃,KCl和K2SO4的熔點(diǎn)分別為770 ℃和1 067 ℃,因此,在復(fù)配成為復(fù)合物后,KBr對(duì)復(fù)合物共晶點(diǎn)的形成影響最大。
2.3 復(fù)合物熱穩(wěn)定性的確定
對(duì)于金屬火災(zāi)滅火劑而言,不僅希望其具有較低的共熔溫度,同時(shí)還希望其具有較高的耐溫性能。本文采用DTG分析模塊,測(cè)試試樣的耐溫性能。圖9所示為復(fù)合物DTG曲線圖。
圖9 試樣(w(KCl)=30% 、w( KBr)=20%,w(K2SO4)=50%) DTG測(cè)試曲線
圖9中,A點(diǎn)表示試樣起始分解的溫度點(diǎn);B點(diǎn)表示試樣分解達(dá)到最大分解速率時(shí)的溫度點(diǎn)。本文采用起始分解溫度作為試樣耐溫性的衡量溫度。
2.4 各組分對(duì)復(fù)合物熱穩(wěn)定性的影響
不同組分以及同一組分的不同含量,對(duì)復(fù)合物的熱穩(wěn)定性都會(huì)產(chǎn)生影響。為了研究不同組分對(duì)熱穩(wěn)定性的影響程度,本文分別研究了KCl、KBr和K2SO4對(duì)復(fù)合物最高起始分解溫度的影響。
圖10示出了不同KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下復(fù)合物最高起始分解溫度的測(cè)定結(jié)果。
由圖10可以看出,隨著KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,復(fù)合物的最高起始分解溫度呈現(xiàn)先升高后下降的變化規(guī)律。當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),復(fù)合物有最高的起始分解溫度,為717 ℃。
進(jìn)一步的研究表明,KBr和K2SO4對(duì)最高起始分解溫度的影響呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律性,即二者都存在最佳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)使得復(fù)合物有最高的起始分解溫度。圖11和圖12分別示出了KBr和K2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí),復(fù)合物最高起始分解溫度變化情況。
圖10 KCl對(duì)最高起始分解溫度的影響Fig.10 Influence of KCl on highest initial decomposition temperature
圖11 KBr對(duì)最高起始分解溫度的影響Fig.11 Influence of KBr on highest initial decomposition temperature
圖12 K2SO4對(duì)最高起始分解溫度的影響Fig.12 Influence of K2SO4 on highest initial decomposition temperature
依據(jù)金屬火災(zāi)滅火劑的滅火原理,滅火劑應(yīng)有較高的起始分解溫度。起始分解溫度越高,說明滅火劑的耐熱性越好,熱穩(wěn)定性越高。以達(dá)到最高起始分解溫度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為衡量不同組分對(duì)熱穩(wěn)定性的影響程度,該質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,說明對(duì)應(yīng)物質(zhì)對(duì)熱穩(wěn)定性的影響越大。
由圖10和圖11可以看出,KBr和KCl使復(fù)合物達(dá)到最高起始分解溫度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為30%,而由圖12可以看出,K2SO4使復(fù)合物達(dá)到最高起始分解溫度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。據(jù)此判斷,3種組分中,K2SO4對(duì)復(fù)合物熱穩(wěn)定性的影響最大。
造成上述結(jié)果可能的原因是,K2SO4本身具有較高的沸點(diǎn),為1 689 ℃,KBr和KCl的沸點(diǎn)分別為1 435 ℃和1 420 ℃,因此,在復(fù)配成為復(fù)合物后,K2SO4對(duì)提高復(fù)合物起始分解溫度有較大的貢獻(xiàn)。
2.5 高熱穩(wěn)定性可共晶鉀鹽復(fù)合物配方的確定
最佳配方基于2.2節(jié)和2.4節(jié)的研究。KCl、KBr和K2SO4對(duì)復(fù)合物的共晶行為和熱穩(wěn)定性均有影響。通過比較共晶物的熔點(diǎn)和最高耐熱溫度,確定最佳的配方組成。
比較結(jié)果表明,KCl、KBr和K2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、30%和40%時(shí),共晶物可達(dá)到最高的耐熱溫度(717 ℃);在這一復(fù)配質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,共晶物的熔點(diǎn)也達(dá)到了最低值(662 ℃)。
因此,認(rèn)為KCl、KBr和K2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、30%和40%時(shí)的配方是高熱穩(wěn)定性可共晶鉀鹽復(fù)合物的最佳配方。
在同一復(fù)配質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,共晶物既達(dá)到了最高耐熱溫度,又達(dá)到了最低的熔點(diǎn),這對(duì)于金屬火災(zāi)滅火劑的應(yīng)用是非常有益的,但這一結(jié)果的形成機(jī)理還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。可能的原因是,在優(yōu)化的復(fù)配比例下,混合物可能更易于形成緊密或有規(guī)則的接觸,形成更加類似完美晶體的構(gòu)型,從而有助于熱量的傳遞和均勻,并最終在具有最低熔點(diǎn)的同時(shí),具有最高的耐熱溫度[14-16]。
2.6 對(duì)比分析
本實(shí)驗(yàn)確定了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、30%和40%的KCl、KBr和K2SO4的三元金屬火災(zāi)滅火劑的體系,將其與一種市售金屬火災(zāi)滅火劑的熔點(diǎn)與分解溫度進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖13所示。
由圖13可看出,實(shí)驗(yàn)室制產(chǎn)品的熔點(diǎn)為662 ℃,市售產(chǎn)品的熔點(diǎn)為781 ℃;實(shí)驗(yàn)室制產(chǎn)品的分解溫度為717 ℃,市售產(chǎn)品的分解溫度為702 ℃,即實(shí)驗(yàn)室制產(chǎn)品的熔點(diǎn)較市售產(chǎn)品有明顯下降且分解溫度也有提高,在以后的實(shí)際使用中,可以發(fā)揮更強(qiáng)的滅火作用。
圖13 不同金屬火災(zāi)滅火劑熔點(diǎn)及分解溫度比較圖Fig.13 Melting point and decomposition temperature of different powder metal fire extinguishers
(1) 鉀鹽復(fù)合物中的成分只有達(dá)到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能形成共晶混合物;KCl、KBr和K2SO4三者對(duì)共晶形成的影響程度不同,影響程度從強(qiáng)到弱的次序?yàn)镵Br>KCl>K2SO4。
(2) 鉀鹽復(fù)合物成分存在最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù),在此質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,復(fù)配物具有最大的可共晶質(zhì)量分?jǐn)?shù);最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:KCl 20%~30%,KBr 20%~40%,K2SO430%~40%。
(3) 共晶復(fù)合物的耐溫性能與其組成相關(guān),KCl、KBr、K2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、30%和40%時(shí),共晶復(fù)合物達(dá)到最高耐熱溫度(717 ℃),復(fù)合物同時(shí)具有最低的熔點(diǎn)(662 ℃)。
(4) 實(shí)驗(yàn)室制得的鉀鹽復(fù)合物金屬火災(zāi)滅火劑與市售產(chǎn)品相比,具有熔點(diǎn)低、分解溫度高的特點(diǎn)。
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Eutectic Potassium Salt Compound with High Thermal Stability
ZHANG Yi-nian, QIAO Jian-jiang
(Safety Engineering Consulting Center,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)
Eutectic behavior,thermal stability,influence law and formulation of eutectic compound with low melting point and high thermal stability of KCl、KBr and K2SO4ternary compound are studied.The eutectic compound can be formed under certain component concentration.The sequence of influence degree of KCl,KBr and K2SO4on the formulation of eutectic compound is KBr>KCl>K2SO4.When the mass fractions of KCl,KBr and K2SO4are 20%~30%,20%~40% and 30%~40%,respectively,the combination has the widest eutectic scope.The compound thermal stability is related to the component concentration.When the mass fractions of KCl,KBr and K2SO4are 30%,30% and 40%,respectively,the eutectic compound reaches the highest decomposition temperature (717 ℃) and the lowest melting point temperature (662 ℃).The product made in our lab shows lower melting point and higher decomposition temperature than those of commercially available ones.
eutectic behavior; thermal stability; metal fire extinguisher; metal fire
1006-3080(2017)03-0369-06
10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.03.012
2016-12-01
張頤年(1992-),女,上海人,碩士生,主要研究領(lǐng)域?yàn)榛ぐ踩⒎阑鸱辣?。E-mail:Y30141226@mail.ecust.edu.cn
喬建江,E-mail:jjqiao@ecust.edu.cn
TQ131.1+3
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