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玄武巖纖維:既能造飛機(jī)又能做衣服的石頭

來(lái)源:中央紀(jì)委國(guó)家監(jiān)委網(wǎng)站 發(fā)布時(shí)間:2021-09-19 點(diǎn)擊:

圖為玄武巖纖維成品。(資料圖片)

圖為四川省玄武巖纖維生產(chǎn)企業(yè)的工作人員正在查看產(chǎn)品。(資料圖片)

  玄武巖本是我國(guó)常見(jiàn)的一種普通鋪路石料,但經(jīng)過(guò)特殊手段處理后,它卻能改變形態(tài),變成一種泛著金屬光澤的高性能纖維材料——玄武巖纖維。這種纖維的強(qiáng)韌度是鋼材的5到10倍,重量卻是同體積鋼材的三分之一左右,相比之前,應(yīng)用價(jià)值大大提升。因此,有人形象地把它的制造技術(shù)稱為“點(diǎn)石成金術(shù)”。

  高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)現(xiàn)離不開強(qiáng)大的新材料支撐?!笆濉逼陂g,國(guó)家將玄武巖纖維列為重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維材料之一,今年年初施行的《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019年版)》也再次將玄武巖纖維列入關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。

  近年來(lái),我國(guó)玄武巖纖維制造技術(shù)加速發(fā)展,取得許多新成果,為新基建、智能制造等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大支持。

  從普通鋪路石到高新纖維材料

  ??次鋫b劇的人,一定會(huì)對(duì)劇中的一種神奇盔甲印象深刻:它們由“金絲”制成,穿在身上不僅輕便,還能刀槍不入,是頗具神秘色彩的寶物。而現(xiàn)如今,科研人員真的制造出了這種神秘盔甲,它們不僅堅(jiān)韌輕便,還被賦予了更多強(qiáng)大功能。

  比如,消防隊(duì)員們?cè)诨鸷V袥_鋒,他們的“盔甲”能夠隔熱、耐高溫;宇航員們?cè)谔斟塾危麄兊摹翱住蹦茏钃踺椛?;船舶在海中航行,它們的“盔甲”既有韌性,還能防腐;大橋架通南北,它們的“盔甲”堅(jiān)固耐磨,還不沉重……

  制作這樣的“盔甲”,常見(jiàn)的金屬材料已然無(wú)法滿足上述使用要求。但一種高新纖維材料——玄武巖纖維卻能做到。

  將玄武巖礦石粉碎磨粉后倒入熔爐,在超過(guò)1200攝氏度的高溫加熱下,粉料變成了液體狀態(tài)。這些溶液經(jīng)過(guò)澄清冷卻和均質(zhì)化后,通過(guò)漏板,在拉絲機(jī)的高速牽引下,像棉花糖一樣被拉成一根根7至20微米的細(xì)絲,這就是玄武巖纖維。

  雖然一根玄武巖纖維絲的直徑只有頭發(fā)絲的三分之一,但其強(qiáng)度卻是同等直徑鋼纖維的兩倍,比合金耐腐蝕,能耐受500攝氏度的高溫。加捻的玄武巖纖維像棉線,織成布可以用來(lái)做防護(hù)服。將玄武巖纖維和高分子基體采用特定的工藝成型后制得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則具有高強(qiáng)度比,可以用來(lái)制造坦克、艦船、飛機(jī)的外殼。更可貴的是,玄武巖是一種天然礦石,制造玄武巖纖維的過(guò)程中基本沒(méi)有有害物質(zhì)排出,對(duì)環(huán)境污染很小。

  玄武巖纖維的應(yīng)用范圍十分廣泛,在航空、航天、建筑建材、道路橋梁建設(shè)、艦艇船舶制造、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域都能大展身手。

  中國(guó)公路學(xué)會(huì)專家委員會(huì)副主任侯金龍介紹:“路用玄武巖纖維可以有效降低路面的裂縫和車轍的病害,大大延長(zhǎng)路面使用壽命,在改善和提升路面結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等方面均有顯著效果?!?/span>

  2018年年底,著名的南京長(zhǎng)江大橋經(jīng)過(guò)封閉維修,再次通車。升級(jí)版的南京長(zhǎng)江大橋就在關(guān)鍵部位使用了玄武巖纖維。玄武巖纖維有優(yōu)異的抗拉增強(qiáng)性能,大橋施工人員將玄武巖纖維與混凝土構(gòu)件粘結(jié),對(duì)大橋進(jìn)行加固,讓橋梁更輕盈、更長(zhǎng)壽。此外,我國(guó)在杭金衡高速公路、鄭萬(wàn)高速鐵路以及南海島礁等工程的建設(shè)中也用到了玄武巖纖維。

  “玄武巖纖維技術(shù)出現(xiàn)僅30年,世界各國(guó)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用都處于初級(jí)階段。”中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員劉嘉麒介紹,現(xiàn)在全世界生產(chǎn)的玄武巖纖維甚至不能滿足需求的百分之一。同時(shí),我國(guó)玄武巖資源十分豐富,甘肅、黑龍江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武巖礦產(chǎn)資源分布。如果這些大部分被用來(lái)鋪路的石頭得到充分利用,變成纖維材料,將會(huì)對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)有很大促進(jìn)作用。

  想讓礦石“聽話”需要攻克數(shù)十個(gè)難關(guān)

  把堅(jiān)硬的石頭熔化拉絲變成纖維,并非易事,尤其是當(dāng)你面對(duì)的還是一種不那么“聽話”的石頭。

  中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員馬鵬程多年致力于玄武巖纖維研究,他告訴記者:“首先,玄武巖礦石屬于天然產(chǎn)物,化學(xué)成分波動(dòng)性較大,因此,在制備中玄武巖纖維的性能本身就不穩(wěn)定。其次,從玄武巖礦石到玄武巖纖維需要經(jīng)過(guò)熔制和纖維成型兩個(gè)過(guò)程。在玄武巖熔制過(guò)程中,礦石中的多種礦物逐步熔化,一旦有未完全熔化的晶相存在,便很容易形成二次結(jié)晶的晶核;在玄武巖纖維成型過(guò)程中,玄武巖熔融體也有不同程度的析晶傾向。這種析晶是需要盡量避免的,否則將影響纖維的特性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量?!?/span>

  令人自豪的是,中國(guó)是目前全世界少數(shù)幾個(gè)掌握了玄武巖纖維拉絲生產(chǎn)技術(shù)的國(guó)家。馬鵬程表示,我國(guó)對(duì)玄武巖纖維的研究雖然起步較晚,但經(jīng)過(guò)不斷的艱難探索,科研人員和相關(guān)企業(yè)攻克了不少制造技術(shù)的難關(guān),實(shí)現(xiàn)了玄武巖纖維的批量生產(chǎn)并形成一定市場(chǎng)規(guī)模。

  玄武巖熔融拉絲全電熔池窯技術(shù)是我國(guó)的自主創(chuàng)新技術(shù)。6月22日,我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界首套玄武巖連續(xù)纖維萬(wàn)噸級(jí)池窯生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。7月1日,玄武巖纖維2400孔漏板拉絲智能化池窯生產(chǎn)線也點(diǎn)火投產(chǎn)。

  萬(wàn)噸級(jí)池窯生產(chǎn)線所在的四川省玻纖集團(tuán)有限公司技術(shù)部經(jīng)理李軍介紹,與傳統(tǒng)工藝相比,池窯法工藝作業(yè)穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高,可以讓巖石的熔化率更高,能夠同比降低生產(chǎn)成本40%以上,大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

  “完全自主設(shè)計(jì)的熔化窯爐是整條生產(chǎn)線最核心的裝備?!崩钴姳硎荆八^‘全電熔池窯’,是指窯爐在礦物料熔化過(guò)程中全部采用電能作為能源,通過(guò)在玄武巖熔液的內(nèi)部放置電極,采用內(nèi)部加熱方式完成巖石熔融?!?/span>

  為解決玄武巖在熔制過(guò)程中不穩(wěn)定的問(wèn)題,相關(guān)企業(yè)的研究人員對(duì)玄武巖纖維池窯拉絲技術(shù)進(jìn)行了大量攻關(guān)研究,經(jīng)歷過(guò)無(wú)數(shù)次的失敗與無(wú)數(shù)次的嘗試,攻下了數(shù)十個(gè)難題。比如,為了讓玄武巖在制造中更加穩(wěn)定,技術(shù)人員在礦石原料選取階段通過(guò)大數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)選,確保礦石原料的品位較高。在粉碎制料階段,通過(guò)全球首創(chuàng)的原料空氣動(dòng)力粉碎、均質(zhì)化等技術(shù)方式,提升原料礦物組分的穩(wěn)定性。在熔融階段,通過(guò)設(shè)計(jì)大型單元池窯的方式,解決了玄武巖礦物原料熔化能力小和均勻性差的難題;通過(guò)采用純氧燃燒與電助熔相結(jié)合的方式,解決了玄武巖熔化溫度高的難題。

  為降低玄武巖拉絲成本,改善纖維絲的品質(zhì),技術(shù)人員在溶液變成細(xì)絲的關(guān)鍵設(shè)備——漏板上做文章,力爭(zhēng)在拉絲過(guò)程中不僅實(shí)現(xiàn)一拖多個(gè)漏板,而且盡可能多地增加每個(gè)漏板的孔數(shù)。

  “新材料是近些年才開始興起的,我們沒(méi)有太多國(guó)外成熟的技術(shù)可以引進(jìn),注定要自主創(chuàng)新。通過(guò)科技手段,讓玄武巖這樣一個(gè)低附加值的產(chǎn)品煥發(fā)出它的勃勃生命力,這是我們科研工作者的理想和使命。”馬鵬程表示。

  我國(guó)部分新材料技術(shù)創(chuàng)新已進(jìn)入“無(wú)人區(qū)”

  材料是制造業(yè)的基礎(chǔ),塑造著大國(guó)的筋骨。

  中國(guó)工程院院士干勇表示,以新一代信息技術(shù)、新能源、智能制造等為代表的新興產(chǎn)業(yè)對(duì)材料提出了更高要求,新材料的研發(fā)難度前所未有,創(chuàng)新難度不斷加大??梢哉f(shuō),我國(guó)部分新材料技術(shù)創(chuàng)新已進(jìn)入“無(wú)人區(qū)”。

  就玄武巖纖維來(lái)說(shuō),如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新,讓這種材料性能更強(qiáng)大、價(jià)格更親民,是科研工作者和生產(chǎn)制造者們下一步要解決的問(wèn)題。

  在玄武巖礦藏豐富的新疆,中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱新疆理化所)建立了基于國(guó)內(nèi)地理、地質(zhì)等因素考慮的中國(guó)玄武巖纖維材料大數(shù)據(jù)庫(kù),形成玄武巖纖維領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享和大數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)庫(kù)成果可以用來(lái)指導(dǎo)纖維拉絲過(guò)程,為開發(fā)高性能玄武巖纖維材料提供技術(shù)可行性。

  新疆理化所的研究助理邢丹介紹,以前,玄武巖纖維是一種不導(dǎo)電的纖維,因而被默認(rèn)為是一種絕緣材料。但近年來(lái),科研人員利用玄武巖纖維本身含有的金屬元素實(shí)現(xiàn)了碳納米材料在纖維表面的可控生長(zhǎng),獲得了導(dǎo)電纖維材料,顛覆了傳統(tǒng)玄武巖纖維是絕緣體的概念,增加了玄武巖纖維的功能價(jià)值、拓展了材料在電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用。

  同時(shí),隨著我國(guó)探月工程的推進(jìn),科研人員已經(jīng)在探究用月球表面分布的玄武巖質(zhì)月壤制作連續(xù)纖維的可行性。研究結(jié)果表明,月壤與地球玄武巖礦石具有相近的化學(xué)成分、礦物相組成和類似的成纖行為。

  不僅是玄武巖纖維,資料顯示,近年來(lái),我國(guó)新材料創(chuàng)新體系日趨完善,制造業(yè)創(chuàng)新中心、技術(shù)創(chuàng)新中心、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)業(yè)基地等已達(dá)到400家左右,相關(guān)創(chuàng)新性成果不斷涌現(xiàn)。

  今年5月,西南交通大學(xué)等科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種高強(qiáng)阻燃型玻璃纖維復(fù)合材料。這種材料可以應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域,通過(guò)給軌道電力、應(yīng)急設(shè)施“穿上”高強(qiáng)阻燃型玻璃纖維的新材料“盔甲”,軌道的強(qiáng)度、阻燃、耐腐蝕、絕緣、導(dǎo)熱、耐水等性能指標(biāo)均可實(shí)現(xiàn)較大提升。

  馬鵬程表示,其實(shí)新材料不見(jiàn)得是一種全新物質(zhì),通過(guò)科技手段對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行創(chuàng)新轉(zhuǎn)化,也是新材料的一種。隨著新材料研究的推進(jìn),未來(lái),不僅是石頭,植物、金屬等日常生活中司空見(jiàn)慣的東西都能華麗變身,為我們的生活帶來(lái)不一樣的全新感受。(王雅慧)

  中國(guó)工程院院士、副院長(zhǎng)干勇:新材料技術(shù)是一個(gè)底盤技術(shù)

  中央紀(jì)委國(guó)家監(jiān)委網(wǎng)站 王雅婧

  新材料是支撐現(xiàn)代制造業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ),也是國(guó)家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。當(dāng)新一輪科技革命與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型形成歷史性交匯,我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)一次難得的歷史性機(jī)遇,也面臨著“不趕上就出局”的巨大挑戰(zhàn)。我國(guó)新材料發(fā)展面臨怎樣的發(fā)展形勢(shì)?為什么說(shuō)“趕不上就出局”?近日,記者就相關(guān)問(wèn)題連線中國(guó)材料領(lǐng)域的專家——中國(guó)工程院院士干勇。

  記者:習(xí)近平總書記在山西視察時(shí)指出,新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),也是高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域,我們要奮起直追、迎頭趕上。為什么說(shuō)新材料是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)?

  干勇:萬(wàn)物都是由物質(zhì)組成的,物質(zhì)再往前發(fā)展一步,就是材料。我們的生活離不開材料,我們實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的發(fā)展,更離不開材料的支撐。材料產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)防安全的物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是現(xiàn)在,工業(yè)化同信息化的交叉融合使得整個(gè)工業(yè)化的進(jìn)程加快,可以說(shuō),人類已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)期。新時(shí)期要想加快發(fā)展,必須重視材料的作用。因?yàn)橐淮牧蠜Q定一代技術(shù),技術(shù)的發(fā)展首先是材料的發(fā)展。新一代材料發(fā)展以后,才能帶動(dòng)新一代技術(shù)、新一代設(shè)備裝備、新一代工程的發(fā)展。比如說(shuō),超導(dǎo)材料出現(xiàn)以后,我們才能生產(chǎn)出一系列高端醫(yī)療器械;新一代半導(dǎo)體材料用好以后,5G通信等才有進(jìn)一步發(fā)展的可能。所以說(shuō),新材料是一個(gè)戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性的產(chǎn)業(yè)。

  新材料有兩種,一種是我們發(fā)現(xiàn)了一些有新用途、新功能的材料,一種是對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行升級(jí),使它產(chǎn)生新的性能。目前,我國(guó)在鋼鐵、有色金屬、稀土金屬、水泥、玻璃、化學(xué)纖維等百余種材料的產(chǎn)量上都居于世界前列。這些傳統(tǒng)的基礎(chǔ)材料經(jīng)過(guò)先進(jìn)技術(shù)制備后,就能夠變成一種新的材料,進(jìn)而可以再變成器件、模組等我們需要的制品用于一些工程的建設(shè)中。這種材料性能的變化,才產(chǎn)生了新的產(chǎn)業(yè),進(jìn)而產(chǎn)生新的裝備,新的國(guó)家實(shí)力。就像我們的身體要想長(zhǎng)大,必須先有骨骼、肌肉。所以,新材料技術(shù)是一個(gè)底盤技術(shù)。

  更重要的是,新材料還有一個(gè)先導(dǎo)性的引導(dǎo)作用。所有的先進(jìn)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生、發(fā)展,先進(jìn)裝備、高端裝備的出現(xiàn),首先得有能滿足它這個(gè)先進(jìn)功能的材料。所以材料的性能一旦提升以后,那么其他產(chǎn)業(yè)也相應(yīng)跟著發(fā)展。材料應(yīng)該是先行的。也正因?yàn)樗幸龑?dǎo)性,這才有戰(zhàn)略性。

  你看我們以前研究制造一些高性能的飛機(jī),有時(shí)候是飛機(jī)研究出來(lái)了,再去研制配套材料,后來(lái)就會(huì)發(fā)現(xiàn),搞不上去了,因?yàn)閬?lái)不及了。因?yàn)椴牧习l(fā)展的周期比技術(shù)發(fā)展的周期要長(zhǎng),你整體設(shè)計(jì)的飛機(jī)出來(lái)以后,具體的材料不行,那飛機(jī)的質(zhì)量水平肯定上不去。

  記者:我們國(guó)家在新材料發(fā)展上已取得哪些成果或具備哪些優(yōu)勢(shì)?還存在哪些亟待補(bǔ)足和完善的地方?

  干勇:目前,我們國(guó)家已經(jīng)建立了比較健全的材料體系,國(guó)民經(jīng)濟(jì)所需的基本材料我們幾乎都有。但是在新材料方面,尤其是很多高端材料,包括一些關(guān)鍵復(fù)合材料、新型能源材料、半導(dǎo)體材料、稀土功能材料、信息顯示材料、生物醫(yī)用材料等,我們還不具備。但可喜的是,我們國(guó)家在新材料方面也在奮力追趕,比如碳纖維、石墨烯等發(fā)展就很迅速,再比如我們的超級(jí)鋼,現(xiàn)在普及應(yīng)用也做得很好。

  此外,我們?cè)谛虏牧戏矫婧鸵恍┌l(fā)達(dá)國(guó)家的差距還在于對(duì)材料性能的提升上?,F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展需要越來(lái)越精密的產(chǎn)業(yè)裝備,這些精密的產(chǎn)業(yè)裝備又需要超高純的、高強(qiáng)度的以及特殊性能的材料,同時(shí)還要求材料的成本要低。尤其是像航空航天這樣的戰(zhàn)略性行業(yè),所需的材料國(guó)外是不會(huì)賣給我們的,他們只會(huì)賣給我們飛機(jī)這種成品裝備。所以一旦我們?cè)谶@方面不具備生產(chǎn)能力,就會(huì)被人家“卡死”。

  所以我感覺(jué),中國(guó)在關(guān)鍵戰(zhàn)略材料上還需要發(fā)力,尤其是要加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力。因?yàn)槟壳昂芏嘈虏牧弦约靶虏牧系纳a(chǎn)技術(shù)都是國(guó)外發(fā)明的,所以很多新材料方面的標(biāo)準(zhǔn)都是國(guó)外定的。我們需要有自己的技術(shù),才能有自己在新材料上的話語(yǔ)權(quán)。

  記者:有人認(rèn)為未來(lái)5年將是我國(guó)新材料發(fā)展由大做強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期。對(duì)此,您怎么看?

  干勇:為什么有人說(shuō)未來(lái)5年是我國(guó)新材料發(fā)展由大做強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期?我個(gè)人的看法是,今年是“十三五”規(guī)劃收官之年,也是全面建成小康社會(huì)決勝之年,我們國(guó)家進(jìn)入“十四五”以后,實(shí)際上正好是世界第四次工業(yè)革命時(shí)期。第四次工業(yè)革命,是以石墨烯、基因、虛擬現(xiàn)實(shí)、量子信息技術(shù)等為技術(shù)突破口的工業(yè)革命。前三次工業(yè)革命,中國(guó)都沒(méi)趕上,都錯(cuò)過(guò)了。所以這一次,我們不能再落下了。

  我剛才也說(shuō)了,材料是基礎(chǔ),所以材料首先要突破,我們的其他高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)才能夠做大做強(qiáng)。我覺(jué)得,今后10年到15年,我們國(guó)家的新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須要邁入國(guó)際一流方陣,實(shí)現(xiàn)從材料大國(guó)向材料強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變,我們才能提制造業(yè)強(qiáng)國(guó)這些概念,因?yàn)椴牧喜粡?qiáng),其他的沒(méi)辦法真正強(qiáng)起來(lái),最后還是要受制于人。材料上不突破,我們?cè)诘谒拇喂I(yè)革命的浪潮中又要被人家落下了。

  另外,我們現(xiàn)在也具備從材料大國(guó)變成材料強(qiáng)國(guó)的條件。比如我們有大量材料領(lǐng)域的研究人員。材料研制的特點(diǎn)是周期長(zhǎng),尤其是要研究一種新材料,不僅時(shí)間很長(zhǎng),而且投入大,還沒(méi)法馬上取得應(yīng)用。好在我們的研究人員不怕苦,我們的科研人才力量是充足的,我們國(guó)家150多所高校設(shè)有材料專業(yè),新材料領(lǐng)域的兩院院士有200多名,新材料的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超過(guò)60個(gè),這些完整的體系已成為全面推動(dòng)我們新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐。另外,我們國(guó)內(nèi)有廣闊的材料市場(chǎng),市場(chǎng)需求量很大。經(jīng)濟(jì)會(huì)推動(dòng)眾多技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)而支持我們?cè)谛虏牧项I(lǐng)域的研究。比如我們現(xiàn)在調(diào)整能源結(jié)構(gòu),對(duì)燃煤技術(shù)進(jìn)行改造,需要幾千萬(wàn)的耐熱合金和耐熱鋼。還有我們進(jìn)行深海開采,需要各種耐蝕合金和海水淡化膜材料。

  我感覺(jué),大概5年左右我們能夠在材料方面進(jìn)入一種基本安全的狀態(tài);大概10年左右,我們能在一些材料領(lǐng)域做強(qiáng)。目前來(lái)說(shuō),我們必須抓緊時(shí)間,一定要跟上,不跟上,就會(huì)出局。


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