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热防护系统用碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层研究进展
周帆, 田志林, 李斌
DOI: 10.15541/jim20240317 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240317
2025 Vol. 40 (1): 116
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碳化物超高温陶瓷具有高熔点(>3000 ℃)、高硬度、低热导率、优异的耐高温性和良好的化学稳定性等优点, 是高超声速飞行器热防护系统的理想涂层材料。本文概述了碳化物超高温陶瓷(TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC)的结构与性质, 总结了化学气相沉积法、等离子喷涂法和固相反应法制备碳化物超高温陶瓷涂层的研究进展, 分析了涂层微观结构、组分、结构设计以及热流密度对烧蚀行为的影响。研究表明, 添加第二相形成多元复合涂层和采用多层结构设计, 可以有效提升碳化物超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能。添加第二相形成复杂氧化物, 可使烧蚀后的氧化层适度烧结, 从而获得良好的结构完整性和阻氧性能。采用梯度分层和多层功能结构设计, 有效缓解了涂层热应力, 抑制了裂纹扩展, 并促进了不同层间的协同增强作用。最后, 结合研究现状, 对碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层发展面临的挑战与机遇进行了展望。
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在碳化物陶瓷中构筑金属原子层分相共生结构
鲍伟超, 郭晓杰, 辛晓婷, 彭湃, 王新刚, 刘吉轩, 张国军, 许钫钫
DOI: 10.15541/jim20240284 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240284
2025 Vol. 40 (1): 1722
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在保持结构陶瓷高硬度的同时提高其韧性和塑性, 可以显著拓展其在极端环境中的应用前景, 其中微结构设计是一项重要策略。本工作研究了在碳化物陶瓷中构筑金属单原子层分相共生结构的可行性。以过渡金属单质、石墨和少量Al为原材料, 采用放电等离子体烧结工艺在1900 ℃和30 MPa压力下制备不同组元数的过渡金属碳化物陶瓷, 发现只有高熵(TiZrHfNbTa)C陶瓷形成了Al原子层分相共生结构。该结构不是长程序的单相化合物(如MAX相), 而是一种无周期性的碳化物和金属单原子层交叉堆叠的复合物。通过纳米至原子尺度的球差校正透射电子显微镜和能谱表征, 揭示了少量Al单原子层无周期性地嵌入高熵碳化物面心立方结构的{111}面。结合第一性原理计算, 发现形成原子层分相共生结构的关键因素不是Al在不同碳化物晶格中的扩散差异, 而是高熵带来的热力学稳定性、晶格畸变和迟滞扩散效应等。本研究有助于推动结构陶瓷中原子尺度微结构的设计和调控, 从而获得硬度-强度-韧性综合力学性能优异的结构陶瓷。
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MI SiCf/SiC-SiYBC复合材料的蠕变性能及损伤机理
张立, 管皞阳, 郑琪宁, 洪智亮, 王佳璇, 邢宁, 李玫, 刘永胜, 张程煜
DOI: 10.15541/jim20240289 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240289
2025 Vol. 40 (1): 2330
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随着航空发动机的服役环境日益严苛, SiCf/SiC在高温空气/水氧环境中的服役温度和应力亟需提升。为此, 研究人员尝试采用自愈合基体改性的方法提升SiCf/SiC复合材料的抗氧化性能和抗蠕变性能。本工作研究了熔体渗透工艺(MI)制备的碳化硅纤维平纹布增强的SiYBC改性碳化硅复合材料(MI SiCf/SiC-SiYBC)在空气中的拉伸蠕变性能及损伤机理, 蠕变温度为1300、1350和1400 ℃, 应力为60~120 MPa。结果显示: 在1300~1400 ℃范围内, MI SiCf/SiC-SiYBC的蠕变断裂时间($t_{\mathrm{u}}$)与应力、温度密切相关, 随温度或应力升高而降低。当蠕变应力高于比例极限应力($\sigma_{\mathrm{PLS}}$)时, 基体开裂, 氧气会进入材料内部侵蚀纤维和BN界面, 使其发生氧化退化, 大幅降低$t_{\mathrm{u}}$。此时由于基体完全开裂, 载荷主要由纤维承担, $t_{\mathrm{u}}$受纤维的抗蠕变性能控制。当蠕变应力低于$\sigma_{\mathrm{PLS}}$时, $t_{\mathrm{u}}$较长, 载荷由纤维和基体共同承担, $t_{\mathrm{u}}$则受纤维和基体两者的抗蠕变性能共同控制。随着温度从1300 ℃升高至1400 ℃, 基体氧化物等物相填充界面间隙, 导致界面黏结, 促进裂纹张开和扩展。
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原位反应/热压合成Ti2AlC-20TiB2复合材料在1000~1300 ℃空气中的高温氧化行为
王文婷, 徐敬军, 马科, 李美栓, 李兴超, 李同起
DOI: 10.15541/jim20240352 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240352
2025 Vol. 40 (1): 3138
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Ti2AlC是MAX相材料中抗氧化性能最好的化合物之一, 在高温结构材料和高温抗氧化防护涂层领域具有潜在的应用前景, 然而其强度和硬度不足, 在高温领域的应用受到限制。为了提升Ti2AlC的性能, 本研究采用原位固-液相反应/热压方法成功合成了Ti2AlC-20%TiB2(体积分数)复合材料(简称Ti2AlC-20TiB2), 分析了其在1000~1300 ℃的高温氧化行为, 揭示了其高温抗氧化机理。结果表明: Ti2AlC-20TiB2复合材料的氧化动力学符合自然对数规律, 比单相Ti2AlC具有更优异的抗氧化性能。1200 ℃以下, 氧化膜主要由Al2O3(内层)和TiO2(外层)组成, 而在1300 ℃时, 氧化膜的外层则是TiO2与Al2TiO5混合物。复合材料形成的Al2O3保护层比单相Ti2AlC形成的更为致密, 这是抗氧化性能优异的关键。引入的TiB2颗粒减小了材料的晶粒尺寸, 增加了短路扩散的晶界数量, 有利于Al的选择性氧化, 从而加速了Al2O3保护层的形成。TiB2氧化过程中生成的B2O3能够填充微孔并修复微裂纹, 有效阻止了O的内扩散, 进一步提高了复合材料的抗氧化性能。
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Pt3Co高指数晶面氧还原过程的密度泛函理论研究
刘磊, 郭瑞华, 王丽, 王艳, 张国芳, 关丽丽
DOI: 10.15541/jim20240296 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240296
2025 Vol. 40 (1): 3946
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Pt3Co催化剂是Pt基合金中氧还原反应(ORR)活性最高的催化剂, 合成Pt3Co高指数晶面(HIFs)是一种提高其催化性能的有效策略, 但拥有最高ORR活性的HIFs尚未明确, 并且目前缺乏对Pt3Co HIFs ORR的系统研究。本研究构建了六种不同Pt3Co HIFs, 通过从头算分子动力学(AIMD)计算证明了其稳定性, 通过密度泛函理论(DFT)计算了六种Pt3Co HIFs的ORR过程中间物*O、*OH、*OOH的结合能(BE), 通过d带中心(εd)、Bader电荷及配位数(CN)解释了其在台阶与边缘位点BE不同的原因。同时分析了吸附原子CN与εd的关系, 通过ORR自由能台阶图分析了ORR过程中的过电位(η), 发现η大小主要与*OH结合能(BE-*OH)有关, 其中η最小的晶面为Pt3Co(211), 其在台阶处的η达到了0.294 eV。本工作为高ORR活性HIFs催化剂研发提供了一定的理论依据。
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铁基正仲氢转化催化剂的影响因素
李娜, 曹锐霄, 魏进, 周晗, 肖红梅
DOI: 10.15541/jim20240209 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240209
2025 Vol. 40 (1): 4752
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正仲氢转化催化剂是大型氢液化工程中的关键材料之一。然而, 在实际生产中, 国内大多依赖进口的商用催化剂。对催化剂性能影响因素的探索仍处于起步阶段, 尚未明确。目前大多数研究只关注催化活性, 而正仲氢转化催化剂的机械强度也是影响催化剂使用效果及寿命的重要因素。基于此, 本研究采用了一种简易的沉淀法实现铁基正仲氢转化催化剂的批量化制备, 并探讨了催化剂活化方法、干燥温度、颗粒尺寸、原料浓度、掺杂元素等参数对催化活性以及机械强度的影响。进一步地, 对自制催化剂与商用催化剂进行了催化性能和物化结构的对比。结果表明, 当氢气流速为1200 mL/min时, 自制催化剂在77 K下进行正仲氢催化转化后, 出口仲氢(p-H2)的最高含量为46.49%, 比商用催化剂高2.9%。自制催化剂的平均单颗粒破碎力值最高可达4.75 N。本研究获得了促进催化活性优化的初步机理, 对研究正仲氢催化转化具有重要意义, 为国产催化剂的大规模生产提供了实验支持。
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Ni-Mg-Al类水滑石衍生镍基催化剂的制备及其氨分解性能
连敏丽, 苏佳欣, 黄鸿杨, 嵇玉寅, 邓海帆, 张彤, 陈崇启, 李达林
DOI: 10.15541/jim20240140 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240140
2025 Vol. 40 (1): 5360
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氨分解作为一种很有前景的现场制氢技术, 关键在于开发出廉价、高性能的催化剂。本研究通过共沉淀法合成系列NixMg75-xAl25类水滑石化合物(HTlc)作为前驱体, 经过焙烧和还原处理制备负载型高分散Ni/Mg(Al)O催化剂并用于氨分解制氢, 采用不同研究手段对样品进行了表征, 考察了Ni含量和氨还原对催化性能的影响。结果显示, HTlc前驱体经过焙烧分解形成Mg(Ni, Al)O固溶体, Ni物种与载体之间存在较强的相互作用, 经750 ℃氨还原得到高分散Ni金属纳米颗粒, 其平均晶粒尺寸为5.9~7.7 nm。质谱分析表明, 氨还原过程中无氮氧化物(NOx)生成, 同时750 ℃氨还原与氢还原催化剂的活性相当, 说明氨是一种合适的还原气。催化剂活性随着Ni含量和还原温度升高而增加。其中, 750 ℃氨还原Ni20Mg55Al25催化剂在30000 mL·gcat-1·h-1、600 ℃下的氨转化率为98%, 且在100 h反应过程中转化率保持不变, Ni金属无明显烧结现象, 催化剂表现出良好的活性、稳定性和抗烧结性能。
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酞菁铁/MXene复合阴极的制备及电芬顿降解磺胺间二甲氧嘧啶
刘会来, 李志豪, 孔德峰, 陈星
DOI: 10.15541/jim20240176 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240176
2025 Vol. 40 (1): 6169
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研发具有高活性和高稳定的电极材料, 是实现电芬顿体系高效降解磺胺类抗生素污染物的关键。本工作以MXene材料作为载体负载酞菁铁(FePc), 制备了FePc/MXene纳米复合材料, 并利用其作为阴极催化剂构建的电芬顿体系对磺胺间二甲氧嘧啶(SDM)进行降解。负载FePc后, 纳米复合材料依然保持手风琴状的片层结构, 并且表面略粗糙, 层间间距变小; FePc/MXene中FeNx的配位数约为4, 且FePc与MXene之间的相互作用促进了电极表面的电子转移。在构建的电芬顿体系中, FePc/MXene电极在50 min内对SDM的降解率达到97.2%, 且在较宽的pH范围内表现出优异的催化性能和稳定性。降解性能显著提高主要归因于复合材料中引入FeN4增强了O2电催化还原为H2O2的活性。电芬顿体系主要通过自由基(·OH和·O2-)与非自由基(1O2)共同降解SDM。利用前沿轨道理论和Fukui函数阐明了SDM被不同活性物种攻击的位点, 降解途径主要有苯环的羟基化、苯环上氨基的氧化、C-S和S-N键断裂。此外, 循环和离子浸出实验证明所制备的阴极催化剂具有优异的稳定性。
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纳米CeO2的制备及其在CO2合成聚碳酸酯中的活性
马俊杰, 杨钰莹, 高名扬, 齐冰杰, 吴玉龙, 黄雪莉, 黄河
DOI: 10.15541/jim20240304 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240304
2025 Vol. 40 (1): 7076
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CO2和二醇直接聚合制备碳酸酯是一种绿色高效的CO2应用途径, CeO2在该反应体系中表现出良好的催化性能。本研究以NaOH为沉淀剂, 采用水热法制备纳米CeO2催化剂, 探究了焙烧温度(500、600、700 ℃)和不同类型表面活性剂(阳离子、阴离子和非离子型)对CeO2结构和性质的影响规律。当焙烧温度为600 ℃时, CeO2结晶度良好且缺陷位点数量超过其他焙烧温度制得样品。各类表面活性剂(阳离子、阴离子和非离子型)能有效提高CeO2表面氧空位浓度, 25 ℃下的CO2吸收量最高可达0.532 mmol/g。基于以上研究, 将制备的一系列CeO2催化剂应用于CO2和二醇一步法合成聚碳酸酯的反应中, 可有效提高反应体系的转化率和选择性。结果表明, 不同焙烧温度和表面活性剂制备的CeO2的催化活性存在显著差异。以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂, 在600 ℃下焙烧得到的CeO2显示出最高的催化活性和选择性(1,6-己二醇转化率为91.0%, 聚(6-羟基己基)碳酸酯选择性为76.6%)。CeO2优异的催化活性以及高产率主要归因于其良好的结构、丰富的缺陷位点和高的CO2吸收能力。
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载银放射状介孔二氧化硅的制备及其在牙科树脂中的应用
王月月, 黄佳慧, 孔红星, 李怀珠, 姚晓红
DOI: 10.15541/jim20240305 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240305
2025 Vol. 40 (1): 7783
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牙科树脂因美观、安全和容易操作等优势, 已成为目前临床最常用的龋洞填充材料, 但仍存在机械强度较低、抗菌性能不足等问题, 导致使用寿命较短。本研究首先制备了放射状介孔二氧化硅(Radial mesoporous silica, RMS)粉体材料, 再将纳米银载入其多孔孔道中, 得到载银放射状介孔二氧化硅(Ag-RMS)。将Ag-RMS与牙科树脂复合, 研究其含量对牙科树脂抗菌性能、机械性能及其他理化性能的影响。结果表明, Ag-RMS可显著提高牙科树脂抗菌性能, Ag-RMS质量分数为5%时, 对变形链球菌的抗菌率已达99.68%。牙科复合树脂机械强度随Ag-RMS含量增加而逐渐升高, 质量分数为7%时, 复合树脂弯曲强度比树脂基体高28.16%。而且, 添加Ag-RMS不会对牙科树脂的聚合收缩率、单体转化率、光固化深度和表面亲疏水性等产生显著影响。本研究所制备的Ag-RMS可提高牙科树脂的抗菌和机械性能。
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烧结助剂对BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ电解质烧结行为及电导率的影响
张婧慧, 陆晓彤, 毛海雁, 田亚州, 张山林
DOI: 10.15541/jim20240328 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240328
2025 Vol. 40 (1): 8490
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BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)作为质子导体型固体氧化物燃料电池的典型电解质材料之一, 具有高质子电导率及高稳定性等优点。然而, BZCY电解质的烧结活性较差, 通常需要较高的烧结温度来实现致密化, 而过高的烧结温度不利于电池的制备及应用。本研究旨在降低BZCY电解质的烧结温度, 通过引入NiO、Fe2O3、ZnO与CuO等烧结助剂, 探讨了烧结助剂对BZCY烧结行为的影响。结果表明, 除Fe2O3外, 其余氧化物均能有效促进BZCY烧结体的晶粒生长。其中, 添加CuO对BZCY烧结过程的促进作用最显著。在BZCY中添加质量分数2%的CuO(BZCY-2%CuO)后, 即使烧结温度降低至1250 ℃, 烧结体仍能保持高于98%的相对密度。此外, 在600 ℃的加湿H2气氛下, BZCY-2%CuO的电导率高达2.7×10-2 S·cm-1, 且在加湿H2下的电导率相较于加湿空气高出近5倍。更为关键的是, BZCY-2%CuO电解质在电池工作条件下的电子导电性可以忽略不计, 保持了优异的稳定性。
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Ar离子注入蓝宝石衬底诱导成核的高质量GaN外延
安瑕, 许晟瑞, 陶鸿昌, 苏华科, 杨赫, 许钪, 谢磊, 贾敬宇, 张进成, 郝跃
DOI: 10.15541/jim20240286 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240286
2025 Vol. 40 (1): 9196
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氮化镓(GaN)薄膜通常是在异质衬底上获得的, 然而异质外延引入的高密度位错限制了其在高性能电子器件和光电器件中的发展。本研究采用Ar离子预处理蓝宝石衬底来实现诱导成核, 显著降低了GaN外延层中的位错密度。优化Ar离子的注入剂量发现, 当剂量为1×1011 cm-2时, 螺位错密度为5.26×107 cm-2, 刃位错密度为1.95×108 cm-2, 总位错密度比传统蓝宝石衬底上生长的GaN降低了65%。光致发光(Photoluminescence, PL)测试结果表明, 经过诱导成核的GaN外延层的光学性能有所提高, 与未注入的样品相比, PL强度最高提升了152%。本研究提出的Ar离子诱导成核技术是一种工艺简单、效果显著的方法, 可以提高异质外延GaN层晶体质量, 对实现高效率GaN基发光二极管(Light Emitting Diode, LED)和高性能电子器件具有重要意义。
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碳酸锰掺杂氧化镁基陶瓷的烧结行为和介电性能
王智祥, 陈莹, 逄清阳, 李鑫, 王根水
DOI: 10.15541/jim20240214 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240214
2025 Vol. 40 (1): 97103
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追求具有高介电强度的陶瓷介质材料, 探究影响介电强度的内在因素, 对选择合适的高功率微波传输器件介质窗材料、保证功率传输的可靠性具有重大的科学研究和工程应用价值。氧化镁(MgO)陶瓷具有高理论介电强度和低介电损耗的介电性能, 在高功率微波传输器件应用方面潜力巨大, 但其烧结温度过高, 阻碍了设计与应用。本工作通过传统固相反应法制备了MgO-1%ZrO2-1%CaCO3-x%MnCO3(MZCMx, x = 0、0.25、0.50、1.00、1.50, 摩尔比)系列陶瓷, 并对其相结构、形貌特征和介电性能等进行表征分析。研究发现: 引入ZrO2和CaCO3形成了第二相, 显著抑制了MgO晶粒的过分长大; 添加MnCO3促进了陶瓷烧结初期的晶界扩散过程, 降低了陶瓷的晶粒生长激活能, 从而有效降低了陶瓷烧结温度。最终在1350 ℃下烧结制备的MZCM1.00陶瓷获得了高介电强度和品质因数(Eb = 92.3 kV/mm, Q × f = 216642 GHz), 同时具有低介电损耗(<0.03%)、低电容温度系数(20.3×10-6 ℃-1, 85 ℃)和相对接近于零的谐振频率温度系数(-12.54×10-6 ℃-1)。本研究为高功率微波传输器件选择介质窗材料以及提升综合性能提供了一种简单有效且可满足实际生产应用的解决方案。
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水热-碳热合成AlN纳米粉体的机理
冯关正, 杨健, 周渡, 陈啟明, 许文涛, 周有福
DOI: 10.15541/jim20240279 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20240279
2025 Vol. 40 (1): 104110
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碳热还原氮化法是应用最广泛的制备AlN粉体的方法。该工艺制备的AlN粉体纯度高且烧结活性优良, 但是存在反应温度高、原料难以混合均匀等不足。本研究将水热合成与碳热还原氮化法相结合制备AlN纳米粉体。以硝酸铝为铝源、蔗糖为碳源、尿素为沉淀剂, 在200 ℃水热合成碳和勃姆石(γ-AlOOH)均质复合前驱体。前驱体通过静电吸引形成碳紧密包覆勃姆石的核壳结构(γ-AlOOH@C)。与传统前驱体相比, 水热复合物具有超细颗粒、粒度分布均匀、分散性好、反应活性高、环境友好等优点。在氧化铝相的稳定性方面, 碳壳通过抑制氧化铝的表面积损失, 使γ-Al2O3相比刚玉相(α-Al2O3相)的热稳定性更好, γ-Al2O3在碳热还原过程中能保持较高的反应活性, 该反应始于1300 ℃, 止于1400 ℃(比传统碳热还原法低200 ℃)。本研究通过实验和热力学计算验证了相关机理, 为水热法结合碳热法制备非氧化物纳米陶瓷粉体提供了有效的理论和实验依据。
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长程有序助力钙钛矿QLED高性能化
吕昕怿, 相恒阳, 曾海波
DOI: 10.15541/jim20240372
2025 Vol. 40 (1): 111112
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钙钛矿量子点在显示应用方面具有独特优势, 然而在高亮度下其长期稳定性仍是一个巨大的挑战。本文聚焦于钙钛矿量子点及其发光薄膜形貌的调控进展, 阐述了长程有序的钙钛矿量子点薄膜对其电致发光性能的影响, 并展望了其在提升钙钛矿量子点电致发光稳定性方面的发展前景。
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