cap11 isaia microestrutura ceramica

8/20/2019 Cap11 ISAIA Microestrutura Ceramica

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Livro: Materiais de Construção Civi lOrganizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Oswaldo Cascudo –

Universidade Federal de Goiás

Helena Carasek –

Universidade Federal de GoiásNicole P. Hasparyk –

Furnas Centrais Elétricas

Microestrutura dos Materiais Cerâmicos

Capítulo 11


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Livro: Materiais de Construção CivilOrganizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Introdução

Os materiais cerâmicos podem ser definidos como sendo

materiais formados por compostos de elementos metálicos

(Al, Na, K, Mg, Ca, Si, etc.) e um dos cinco seguinteselementos não-metálicos: O, S, N, C e P. Esses elementos

são unidos por ligações fortes iônicas e/ou covalentes.

●

Definição –

Materiais cerâmicos:


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Introdução●

Exemplo típico de composto cerâmico :

MgO

•

com relação 1:1 entre átomos metálicos (Mg) e não-metálicos

(O);

•

é

amplamente presente como constituinte de materiais

refratários, pois pode suportar altas temperaturas sem se

dissociar ou fundir.


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Introdução●

Outros exemplos:

•

SiO2 (sílica);

•

Al2O3 (alumina);

•

Argilas: também são materiais cerâmicos comuns, só

que bemmais complexos do que o MgO;

Uma das argilas mais simples é

a caulinita, ou Al4Si4O10(OH)8,

que forma sua estrutura cristalina com quatro diferentes

unidades: Al, Si, O e o radical (OH).


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Introdução●

Tipos de ligação nos materiais cerâmicos:

Tipos de Ligaç ão Material

Covalente

Si

SiC

Si3

N4

Iônica

NaCl

MgO

Mica -

(K,H3

O)Al2

(Si,Al)4

O10

(OH)2

Covalente-Iônica

Al2

O3

Quartzo -

SiO2

Vidro soda-cal –

Na2

O.CaO.6SiO2

Tipos de ligação nos materiais cerâmicos (adaptado de ANDERSON et

al., 1990).


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Introdução

Na construção civil, os materiais cerâmicos abrangem grande

variedade de substâncias naturais e de materiais e produtos

industrializados.

Materiais naturais:

•

as argilas e as rochas.

●

Materiais cerâmicos –

variedade de substâncias e de materiais:


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Materiais e componentes industrializados:

•

os tijolos;

•

os blocos e as telhas cerâmicas;

•

os aglomerantes minerais (cimento Portland, cal e gesso) bemcomo os compósitos com eles fabricados (argamassas e

concretos);

•

as peças cerâmicas de revestimento (azulejo, porcelanato,

pastilhas e placas cerâmicas em geral para revestimento deparede e piso);

•

as louças sanitárias;

•

os vidros;•

materiais refratários.

Introdução●

Materiais cerâmicos –

materiais e componentes industrializados:


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Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas

●

Simples ou comuns;

•●

Complexas:

• •

perovsquita;

• •

coríndon;

• •

espinélio;

• •

grafita.

●

Podem ser:


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•


•●

Perovsquita:

Estrutura da perovsquita –

exemplo da célula unitária do BaTiO3.


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●

Coríndon

:


Parte de uma célula unitária hexagonal representando a estrutura do coríndon (na célula, apenas 2/3 das

posições do íon Al3+

estão representadas).


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•●

Espinélio:

Parte da célula unitária do espinélio do MgAl2O4.


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•●

Grafita:

Célula unitária hexagonal em camadas representativa da grafita.


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Silicatos

Materiais compostos essencialmente por silício e oxigênio.

●

Definição –

Silicatos:

Exemplos de alguns materiais da construção constituídos por

silicatos:

•

Cimento Portland;

•

Agregados;

•

Tijolos;

• Telhas;

• Vidros.


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Silicatos

●

Composição química dos principais componentes presentes

em alguns silicatos cerâmicos:

Composição química aproximada dos principais componentes presentes em alguns silicatos cerâmicos(SHACKELFORD, 1996).

Cerâmica % Elementos químicos presentesSiO2 Al2O3 K2O MgO CaO outros

Cimento Portland 25 9 - - 64 2

Sílica refratária 96 - - - - 4

Argila calcinada refratária 50-70 45-25 - - - 5

Mulita

refratária 28 72 - - - -

Porcelana elétrica 61 32 6 - - 1

Porcelana de esteatita 64 5 - 30 - 1


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Silicatos

Estrutura dos sil icatos: unidade fundamentalQuatro íons de oxigênio nos vértices de um tetraedro regular rodeando o

íon de silício tetravalente, que os coordena.

Estrutura tetraédrica do silicato, carregada negativamente: a) visualização externa;

b) vista interna com o silício posicionado no interstício dos átomos de oxigênio.

•a) •b)


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Silicatos

Possíveis arranjos dostetraedros de silicatos

a) ilha de ortossilicato

(arranjo isolado do

tetraedro);

b) ilha de pirossilicato

(unidadestetraédricas duplas);

c) estrutura em cadeia; d) estrutura na

forma de anel;

e) estrutura em folha, típica do argilomineral

caulinita.

(ASKELAND, 1990).

-

-

-

-

- -

---

-

-

--

- -

-

-

-

Si4+

O2-

-

-

-

-

-

-

Si4+

Al3+

(OH)-

O2-; (OH)-

O2-

a) isolado b) duplo

d) anel e) folha

c) cadeia

-

-

-

-

-

-

-

-

- -

---

-- -

---

-

-

--

- -

-

-

-

-

--

- -

-

-

-

Si4+

O2-

-

-

-

-

-

-

Si4+

O2-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Si4+

Al3+

(OH)-

O2-; (OH)-

O2-

Si4+

Al3+

(OH)-

O2-; (OH)-

O2-

a) isolado b) duplo

d) anel e) folha

c) cadeia


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Silicatos

Arranjos de alguns silicatos presentes nas rochas

Classificação dos minerais silicatos das rochas (KLEIN; HURLBUT Jr., 1999).

ClasseArranjo dos

tetraedros SiO4

Relação

Si:O

Exemplos de minerais

Mineral Fórmula química Nesossilicatos

ou

ortossilicatos isolados 1:4 Olivina (Mg,Fe)

2

SiO4

Sorossilicatos

ou

pirossilicatos

duplo 2:7 Hemimorfita Zn4

Si2

O7

(OH).H2O

Ciclossilicatos anéis 1:3 Berilo Be3

Al2

Si6

O18

Inossilicatos

ou

metassilicatos

cadeias simples 1:3 Piroxênio:

enstatita Mg

2

(Si2

O6

)

cadeias duplas 4:11 Tremolita Ca2

Mg5

Si8

O22

(OH)2

Filossilicatos folhas 2:5 Talco Mg3

Si4

O10

(OH)2

Tectossilicatos estruturas

tridimensionais 1:2 Quartzo SiO2


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Silicatos

Formas cristalinas polimórficas

principais da sílica:

• Quartzo –

Estrutura fortemente unida, estável e com maior fator de empacotamento

• Cristobalita• Tridimita

Estrutura trimimensional

da sílica: a) cristobalita

e b) tridimita.

•a) •b)

Minerais metaestáveis, baixo fator de empacotamento e baixa densidade


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Pode se tornar reativo quando sujeito ao processo do

metamorfismo, apresentando seu retículo cristalino tensionado.

Potencialidade reativa do ponto de vista da reação álcali-sílica(RAS) em compósitos à

base de cimento (concretos e

argamassas).

Silicatos

Quartzo:

Mineral considerado termodinamicamente mais estável.


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Silicatos

Quartzo -

outras fases potencialmente reativas:

• quartzo microcristalino -

quartzo de granulação fina, produzido

pela recristalização dinâmica do mineral;

• calcedônia -

variedade criptocristalina

de quartzo da classe

fibrosa.

Outros silicatos potencialmente reativos:

• vidro vulcânico -

silicato presente nas rochas ígneas, produzidopelo resfriamento rápido da lava fundida;

• opala -

mineralóide, conhecido como uma sílica hidratada

amorfa ou coloidal.


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Silicatos

Silicatos Anidros do Cimento Portland

• Alita

(C3S):

silicato tricálcico, Ca3

SiO5

(ou 3CaO.SiO2

)

• Belita

(C2S):

silicato dicálcico, Ca2

SiO4

(ou 2CaO.SiO2

)

•

Celita

ou aluminato

(C3A):

fase aluminato

tricálcico, Ca3

Al2

O6

ou

3CaO.Al2

O3

•

Ferrita

ou Ferroaluminato

(C4AF):

ferroaluminato

tetracálcico

(Ca2

AlFeO5

ou 4CaO.Al2

O3

.Fe2

O3

)


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Silicatos

Silicatos do Cimento Portland -

Alita

Estrutura do C3

S do cimento Portland, com seus dois principais elementos

(adaptada de LEA,1970).


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Silicatos

Silicatos do Cimento Portland -

Belita

Estrutura da fase β−C2

S, com projeção ao longo do eixo b (adaptada deLEA,1970).


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Silicatos

Silicato hidratado do Cimento Portland: C-S-H

Representação simplificada do α-C2

S hidratado (LEA, 1970).


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Vidros e Outras Cerâmicas não Cristalinas

Sílica vítrea:

Tetraedros unidos por ligações covalentes para produzir uma

rede tridimensional ao acaso, ou seja, sem orientação, havendocarência de cristalinidade, apesar de se assemelhar à

sílica

cristalina em uma análise a curta distância.

Os vidros ou cerâmicas não cristalinas representam, na sua

maioria, silicatos amorfos, apresentando-se semelhantes às

cerâmicas cristalinas do ponto de vista químico.


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Diagrama de Fases

O conhecimento dos equilíbrios de fases é

fundamental

para prever-se o comportamento dos materiais, porque é

necessário atingir-se o equilíbrio (ou pelo menos um estadopróximo a ele) para se alcançar estabilidade química.


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Diagrama de Fases

Diagramas de fase = Diagramas de equilíbrio

Determinam:

•

quais fases se encontram em equilíbrio para uma dada

composição a certa temperatura;

Permitem:

•

determinar a composição química de cada fase;

•

calcular a quantidade de cada fase presente.


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Diagrama de Fases

Mapas a partir dos quais se podem determinar as

fases presentes, para qualquer temperatura e

composição, desde que o material esteja em equilíbrio.


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Diagrama de Fases

As relações de fase , num sistema com um únicocomponente, dependem:

exclusivamente das variáveis de estado

(pressão e temperatura).


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Diagrama de Fases

Sistema de um único componente –

SiO2. Observação: um diagrama mais completo incluiria também as

modificações de cada fase sob temperaturas mais baixas (adaptada de VAN

VLACK, 1973).


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Diagrama de Fases

Outra forma de representar o diagrama de fase pressão-temperatura para o sistema SiO2

(ASKELAND,

1998).


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Diagrama de Fases

Expansão linear do quartzo e do vidro com o aumento da temperatura (ASKELAND, 1998).


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Diagrama de Fases

●

Diagrama de fases binário:

A pressão é

considerada constante e igual a 1 atm,eliminando-se, assim, essa variável de estado.

Exemplo:

O diagrama SiO2

-Al2

O3

é

um dos mais importantes no

entendimento e na previsão das propriedades e comportamentode vários materiais cerâmicos de construção civil.


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Diagrama de Fases

Diagrama de fases SiO2

-Al2

O3

, sob pressão constante (adaptada de VAN VLACK, 1984).


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Diagrama de Fases

Operação de queima na indústria cerâmica:

●

é

importante o conhecimento das transformaçõestermoquímicas das argilas e massas cerâmicas;

●

quando a massa cerâmica é

aquecida, ocorrem

diversas transformações, sendo as mais importantes:

•

a retração;

•

a variação de porosidade;•

a liberação ou a absorção de calor;

•

a perda de massa;

•

as mudanças da estrutura .


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Diagrama de Fases

Temperatura

(oC)Retração

Porosi-

dade

Efeitos

térmicos

Perda

de

massa

Análise

petrográfica

Análise por

difr. raios X

20 -100 nula alta nenhum pequenacristais de

caulinita

cristais de

caulinita

100 -

400 nula alta nenhum pequenacristais de

caulinita

cristais de

caulinita

400 -

500 pequena altagrande

absorção

muito

grande

quebra de

cristais

quebra de

cristais

500 -

900 média alta nenhum pequena

cristais

invisíveis metacaulinita

Transformações térmicas do caulim (adaptado de NORTON, 1973).


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Diagrama de Fases

Temperatura

(o

C)

RetraçãoPorosi-

dade

Efeitos

térmicos

Perda

de

massa

Análise

petrográfica

Análise por

difr. raios X

900 -1000 alta médiagrande

evoluçãonenhuma

cristais

invisíveis

apareciment

o de mulita e

g-alumina

1000 -1150 nula média nenhum nenhumacrescimento

de mulita

crescimento

de mulita

1150 -1200 alta

redução

rápida

pequena

evolução nenhuma

crescimento

de cristobalita

mulita e

cristobalita

Transformações térmicas do caulim –

continuação (adaptado de NORTON, 1973).


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Propriedades dos Materiais Cerâmicos

●

Principais propriedades das cerâmicas:

•

alta estabilidade térmica;

•

boa resistência à

compressão e ao cisalhamento;

•

fratura do tipo frágil;

•

baixa condutividade elétrica.


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Dilatação térmica de alguns materiais de construção (adaptada de VAN VLACK, 1973).


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Material Esquema Explicação

Metal

O arranjo de coordenação nosmetais é

o mesmo antes e após

uma etapa completa de

escorregamento.

Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos

biatômicos.

• Mecanismos de escorregamento


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Material Esquema Explicação

Cerâmica

O escorregamento em um cristal

biatômico produziria novos vizinhoscom forças de atração e repulsão

diferentes; esse novo arranjo

somente seria atingido com ruptura

de ligações fortes entre os íons Mg2+

e O2-. Assim, o escorregamento éaltamente restrito, uma vez que as

duas etapas de escorregamento,

necessárias para se atingir uma

estrutura semelhante à

original,

teriam de se realizar passando poruma situação de alta energia,

resultante das repulsões de íons

negativos versus íons negativos e de

íons positivos versus íons positivos.

Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos

biatômicos -

continuação.


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A ausência praticamente total de escorregamento nos materiais

cerâmicos leva às seguintes conseqüências:

•

esses materiais não apresentam comportamento dúctil, ou seja,

são frágeis;

•

podem ser solicitados por tensões de compressão muito

elevadas, desde que não se tenham poros presentes;

•

existe a possibilidade teórica de se ter um limite de resistência à

tração elevado.


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(a) (b)

FRÁGIL

• Comportamento mecânico –

Ilustração para os Materiais Cerâmicos


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(a) (b)

DÚCTIL

• Comportamento mecânico –

Ilustração para os Materiais Metálicos


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Cerâmica Avançada

Cerâmica avançada, também denominada de cerâmicatécnica ou cerâmica fina, engloba uma classe de “novas”

cerâmicas, em que as matérias-primas são artificiais, há

um

grande controle do processo e, principalmente, um fortecontrole da microestrutura.

(YOSHIMURA, 2002)


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Cerâmica Avançada

●

Características especiais:

•

alta resistência mecânica;

•

alta dureza e resistência à

abrasão;

•

alta durabilidade (resistência química e à

corrosão);

•

alta resistência à

temperatura (são materiais refratários);•

alto ponto de fusão (alguns chegam até

cerca de 2500°C a

3000°C);

•

baixa dilatação térmica;•

elevada tenacidade;

•

baixo peso.


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Cerâmica Avançada

●

Exemplos de cerâmicas finas:

•

Alumina;•

Zircônia;

•

Nitreto de silício;

•

Sialon (Si-Al-O-N);

•

Nitreto de alumínio;

•

Nitreto de boro;

•

Carbeto de silício;

•

Carbeto de boro.


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Cerâmica Avançada

Material Composição Densidade

(g/cm3)

Resistência

à compressão

(MPa)

Resistência

à tração

(MPa)

Módulo de

Elasticidade

(GPa)

Alumina Al2

O3 3,98 2810 210 395

Carbeto de

silícioSiC 3,10 3935 175 420

Nitreto de

silício*Si3

N4 3,20 3935 175 420

SialonSi3

N4

-Al2

O3

-

AlN-SiO2

3,24 3515 560 315

Zircônia** ZrO2 5,80 3515 420 315

* Nitreto de silício prensado a quente; ** Zircônia parcialmente estabilizada.

Propriedades mecânicas de algumas cerâmicas avançadas –

valores aproximados(adaptado de ASKELAND, 1994).


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Bibliografia Consultada

• ANDERSON, J. C. et al. Materials Science. 4. ed. London: Chapman & Hall,

1997.• ASKELAND, D. R. The science and engineering of materials. 2. ed. London:Chapman & Hall, 1990.

• ______. The science and engineering of materials . 3. ed. Boston: PWS

Publishing Company, 1994.• ______. The science and engineering of materials. 3. ed. London: Chapman& Hall, 1998.

•CALLISTER Jr., W. D. Materials science and engineering: an introduction. 2.

ed. New York: John Wiley & Sons, 1991.•CAMPBELL, D. H. Microscopical

examination and interpretation of Portlandcement and clinker . Illinois: Construction

Technology

Laboratories

–

Portland

Cement

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•HASPARYK, N. P.

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efeito da cinza de casca de arroz e da sílica ativa. Goiânia:UFG, 1999. 257p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Escola deEngenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 1999.

JASTRZEBSKI, Z. D. Nature and properties of engineering materials. NewYork: John Wiley & Sons, 1959.

KLEIN, C.; HURLBUT Jr., C. S. (after JAMES D. DANA) Manual ofmineralogy. 21. ed. USA: John Wiley

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LEA, F. M.

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3. ed. London: Edward

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MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades emateriais. São Paulo: PINI, 1994.

MONTEIRO, P. J. M. et al. Effect of aggregate deformation on alkali-silica

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Journal, v. 98, n. 2, p. 179-183, 2001.


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Disponível em: http://www.dcm.fct.unl.pt/Discipl/Ct/ MP.pdf . Acesso em: 4 mar. 2007.

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• ______. Introduction to materials science for engineers. 5. ed. NewJersey: Prentice Hall, 2000.

TAYLOR, H. F. W. Cement Chemistry. 2. ed. London: Thomas Telford,1997.

VAN VLACK, L. H. Princípio de ciências dos materiais. São Paulo:Edgard Blücher, 1970.

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• ______. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais; tradução de EdsonMonteiro. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 1984.

• ______. Propriedades dos materiais cerâmicos; tradução de Cid Silveira eShiroyuki

Oniki. São Paulo: Edgard Blücher, 1973.

•YOSHIMURA, H. N. Bate-papo programado –

Cerâmica Avançada:

IPT –

Atividades, 2002. Disponível em: http://www.ipt.br/atividades/serviços/chat/ARQ.

Acesso em: 4 mar. 2007.
http://www.ipt.br/atividades/servi%E7%AF%B3/chat/ARQhttp://www.ipt.br/atividades/servi%E7%AF%B3/chat/ARQ

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