Materiais Cerâmicos - Palestra Compósitos

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Materiais Cerâmicos
Palestrante: Marcela Enaile de Melo Faria 
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SOBRE A PALESTRANTE
Marcela Enaile de Melo Faria
Mestranda do programa de tecnológia nuclear do IPEN/ 
USP (2019 – 2021)
Tecnóloga de Materiais pela Fatec São Paulo – ênfase 
em materiais cerâmicos (2018)
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CERÂMICA
Qual a primeira imagem que vem a sua cabeça quando 
você pensa na palavra CERÂMICA? 
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CERÂMICA
Qual a primeira imagem que vem a sua cabeça quando 
você pensa na palavra CERÂMICA? 
Certamente você pensa nos seguintes itens cerâmicos:
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CERÂMICA
5
CERÂMICA
Mas a cerâmica vai muito além, por exemplo:
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CERÂMICA
7
CERÂMICA
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DEFINIÇÃO DE CERÂMICA
Segundo a Associação Brasileira de Cerâmica (ABCERAM):
“Cerâmica compreende todos os materiais inorgânicos, não 
metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em 
temperaturas elevadas.”
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CERÂMICAS 
NA TABELA 
PERIÓDICA
10
POLÍMEROS 
NA TABELA 
PERIÓDICA
11
DIVISÃO DE CERÂMICA
Para facilitar o estudos do materiais cerâmicos, é utilizada a 
divisão em dois grupos distintos:
1. Cerâmica Tradicional
2. Cerâmica Avançada
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DIVISÃO DE CERÂMICA
É importante ressaltar que mesmo dentro da cerâmica 
tradicional ou da cerâmica avançada, há a classificação 
de acordo com seu uso ou sua material prima. 
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CLASSIFICAÇÃO – CERÂMICA 
TRADICIONAL
Cerâmica vermelha;
Revestimentos (de parede e de chão);
Cerâmica branca (porcelana);
Cerâmica refratária;
 Isolantes térmicos;
Fritas e pigmentos;
Abrasivos;
Vidro, cimento, cal.
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CLASSIFICAÇÃO – CERÂMICA 
TRADICIONAL
Revestimento cerâmicoCerâmica Vermelha 15
CLASSIFICAÇÃO – CERÂMICA 
TRADICIONAL
Cerâmica refratáriaCerâmica Branca 16
CLASSIFICAÇÃO – CERÂMICA 
TRADICIONAL
Fritas e pigmentosIsolante térmico 17
CLASSIFICAÇÃO – CERÂMICA 
TRADICIONAL
Abrasivos 18
CLASSIFICAÇÃO – CERÂMICA 
TRADICIONAL
Vidro, cimento, cal 19
CLASSIFICAÇÃO – CERÂMICA 
AVANÇADA
Eletroeletrônicas;
Mecânicas;
 Térmicas;
Químicas;
Magnéticas;
Biológicas;
Nucleares;
Óticas.
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CERÂMICA - ELETROELETRÔNICA
Varistores
Substrato de alumina para 
dispositivos eletrônicos
Isolantes elétricos
usados em linhas de 
transmissão de alta
energia 21
CERÂMICA - MECÂNICA
Ferramentas de corte
cerâmico Peças cerâmicas de moto 
automotivo - Kyocera 22
CERÂMICA - MECÂNICA
Parte superior de 
pistões cerâmicos
Catalisador cerâmico Pastilha de freio
cerâmica - Bosch 23
CERÂMICA - TÉRMICA
Termogel – manta de 
aerogel isolante
Esponja de silica com cerca de 
94% do volume de ar. Dentro do 
cubo está 1250ºC – Material 
produzido pela NASA
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CERÂMICA - TÉRMICA
A Tória (óxido de tório) é o 
material cerâmico mais
estável, seu ponto de fusão é 
de 3315ºC – o que justifica
seu uso em reatores
nucleares.
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CERÂMICA – QUÍMICA
Almofariz e pistilo de ágata
– inertes quimicamente
para evitar contaminações
Sensores à gás
cerâmicos
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CERÂMICA – ELÉTRICA
Supercondutor cerâmico
Estrutura do tipo peroviskita
de uma cerâmica super 
condutora
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CERÂMICA – ELÉTRICA
Células fotovoltáicas 28
CERÂMICA – BIOLÓGICA
Hidroxiapatita
(Ca10(HPO4)6(OH)2)
Ele compõem cerca de 
43% do osso.
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CERÂMICA – ÓTICA
Fibra ótica
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CERÂMICA TRADICIONAL X CERÂMICA 
AVANÇADA
Pensando nas classificações das cerâmicas tradicional e 
avançada, o que diferencia um do outro? 
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CERÂMICA TRADICIONAL X CERÂMICA 
AVANÇADA
A principal diferença está na:
matéria prima utilizada;
Microestrutura;
controle do processo de produção;
aplicações.
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QUAL O PRINCIPAL PROBLEMA DE 
CERÂMICA
De modo geral a cerâmica é um excelente material, 
porém elas tendem a ser frágeis. Basta prestar atenção aos 
exemplos cerâmicos no dia a dia. 
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FRATURA CERÂMICA
O principal tipo de fratura encontrado em um material 
cerâmico é a fratura frágil.
Ela é consiste na formação e rápida propagação de 
trincas no material, na direção perpendicular da tensão 
aplicada. 
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FRATURA CERÂMICA
O crescimento da trinca pode ocorrer de duas formas 
distintas:
 Transgranular: através dos grãos;
 Intergranular: ocorre ao longo dos contornos de grãos. 
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FRATURA 
CERÂMICA
Exemplo de uma
micrografia de MEV 
de uma fratura
cerâmica (Y-TZP –
zirconia tetragonal 
policristalina
estabilizada com ítria)
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FRATURA TRANSGRANULAR
A trinca passar por dentro dos grãos, rompendo as ligações 
atômicas, isso ocorre em planos cristalográficos específicos 
(alta densidade atômica). CLIVAGEM
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FRATURA INTERGRANULAR
É quando a trinca se propaga nos contornos de grão, 
normalmente em decorrência de um processo de 
enfraquecimento da cerâmica. 
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FRATURA CERÂMICA
Como ocorre a fratura no material cerâmico? 
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FRATURA CERÂMICA
Ela ocorre por meio da concentração de tensões nas 
extremidades de defeitos, o que causa trincas que se 
propagam até a fratura do material. 
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FRATURA CERÂMICA
A resistência à fratura cerâmica é muito inferior à teórica, 
cerca de 1% do valor teórico. 
Pois o teórico não leva em consideração os defeitos do 
material, que na cerâmica são muitos e funcionam como 
concentradores de tensão. 
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TENACIDADE À FRATURA
É a propriedade que mede a resistência de um material a 
fratura frágil, quando uma trinca já está presente. 
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TENACIDADE À FRATURA
A tenacidade à fratura é influenciada por alguns fatores, 
como:
 microestrutura;
 defeitos;
 reforços. 
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TENACIDADE À FRATURA
𝑲𝑰𝑪 (𝑴𝑷𝒂𝒎
𝟏
𝟐)
Tipos de Materiais Cerâmicos
< 1,0 Monocristais, vidros e alguns vitrocerâmicos.
1,0 – 2,0 Maioria dos vitrocerâmicos, maioria das porcelanas
e alguns óxidos cerâmicos (ex. MgO)
2,5 – 5,0 Maioria das cerâmicos de 𝐴𝑙2𝑂3 , cerâmicas não-
óxidas densas (𝐵4𝐶, 𝑆𝑖𝐶, 𝑆𝑖3𝑁4).
5,0 – 15,0 Cerâmicas tenacificadas (𝑍𝑟𝑂2 parcialmente
estabilizada, ou alumina com 𝑍𝑟𝑂2 ).
> 15,0 Cerâmicas reforçadas com fibras ou carbono
reforçado com fibras de carbono. 
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TRAÇÃO X COMPRESSÃO - CERÂMICA
O material cerâmico é mais resistente a compressão do 
que a tração. 
Por qual motivo? 
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TRAÇÃO X COMPRESSÃO - CERÂMICA
A ligação atômica responde de forma diferente aos 
tensões aplicadas. 
Outro fator é que a tração tende a abrir os poros, o que 
agiliza a fratura do material. Enquanto que a compressão 
tende a fechar os poros. 
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ENSAIOS MECÂNICOS- CERÂMICA
Os principais ensaios mecânicos feitos em materiais 
cerâmicos são:
 compressão;
 flexão de três ou quatro pontos.
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ENSAIOS MECÂNICOS- COMPRESSÃO
A força compressiva é
aplicada no material
cerâmico, que se contrai na
direção da tensão.
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ENSAIOS MECÂNICOS- FLEXÃO
O ensaio de três pontas promove resultados superiores, devido a
distribuição das tensões.
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POROSIDADE
A porosidade de um material cerâmico é prejudicial para 
suas aplicações. 
Porosidade
Concentrador de tensões
Leva a rápida propagação
de trinca no material 50
TENACIFICAÇÃO
A tenacificação visa melhorar as propriedades mecânicas 
das cerâmicas. Impedindo ou retardando a propagação 
de trincas e assim, elevando a tenacidade à fratura dos 
cerâmicos. 
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MECANISMOS DE TENACIFICAÇÃO
 Intrínseco: é eficaz no início da propagação e agem na 
frente da trinca (plasticidade)
 Extrínseco: bloqueia o avanço das trincas, por meio da 
incorporação de reforços na fase matriz, atuam na parte 
posterior da trinca. 
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MECANISMOS DE TENACIFICAÇÃO
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MECANISMOS DE TENACIFICAÇÃO
Nos metais há a prevalência de mecanismos intrínsecos. 
Em contra partida, os materiais cerâmicos possuem apenas 
mecanismos intrínsecos.
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MECANISMOS DE TENACIFICAÇÃO
Os principais mecanismos de tenacificação de um material 
cerâmico são:
 Deflexão de trincas;
 Compósitos cerâmicos;
 Ramificação de trincas e microtrincamento;
 Arrancamento de fibra (pullout);
 Ponteamento de trinca (crack bridging);
 Tensão compreensiva; Transformação de fase.
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DEFLEXÃO DE TRINCAS
É baseado na mudança da direção de propagação da 
trinca. 
Isso causa a diminuição da tensão na ponta da trinca. 
Este mecanismo é muito utilizado em cerâmicas 
policristalinas. 
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DEFLEXÃO DE TRINCAS
O aumento da tenacidade pode ser obtida pelo controle 
da microestrutura do material policristalino.
Também é possível incluir obstáculos para promover o 
desvio da trinca. 
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DEFLEXÃO DE TRINCAS
Propagação de 
trinca em um material 
vitro-cerâmico.
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DEFLEXÃO DE TRINCAS
Nos materiais 
policristalinos a trinca 
segue os contornos de 
grão. 
No monocristalino não há 
obstáculos. Diminuindo a 
tenacidade a fratura 
desses materiais. 
Estrutura
𝑲𝑰𝑪 (𝑴𝑷𝒂𝒎
𝟏
𝟐)
Vidro <1
Monocristalinos 0,3 – 2,0
Policristalinos 2,0 a 6,0
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DEFLEXÃO COMPÓSITO
São incluídos fases de reforço também cerâmicos na 
matriz. De modo a aumentar a tenacidade a fratura. 
Os reforços podem ser no formato de partículas ou de 
fibras.
Quando a trinca atinge a segunda fase, parte de sua 
energia é dissipada. 60
DEFLEXÃO COMPÓSITO
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DEFLEXÃO COMPÓSITO
Deflexão de uma trinca
em um material vitro-
cerâmico(aluminossilicato
de cálcio) com fibras de
alumina.
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PULLOUT – ARRANCAMENTO DE FIBRAS
É quando a energia da fratura é usada para arrancar as 
fibras da matriz cerâmica. Impedindo assim sua 
propagação.
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PULLOUT – ARRANCAMENTO DE FIBRAS
Compósito cerâmico com matriz de SiC e fibra de SiC.
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PULLOUT – ARRANCAMENTO DE FIBRAS
Compósito cerâmico com matriz de 𝑆𝑖3𝑁4e fibra de SiC.
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COMPÓSITOS CERÂMICOS COM WHISKERS
Os whiskers são monocristais muito finos, que crescer ao 
longo de um eixo, tornando-se agulhas. 
Eles possuem diâmetros que variam de 0,5μm a 10μm e ter 
até centímetros de comprimento. 
Os whiskers possuem um alto grau de perfeição e
cristalinidade, sendo praticamente isentos de defeitos 
cristalinos. O que promove elevada resistência. 66
COMPÓSITOS CERÂMICOS COM WHISKERS
Tudo isso faz com que os whiskers sejam extremamente 
caros e normalmente são produzidos de: 𝑆𝑖𝐶, 𝑆𝑖3𝑁4, 𝐴𝑙2𝑂3.
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COMPÓSITOS CERÂMICOS COM WHISKERS
Efeito de whiskers de SiC no aumento da tenacidade de 
diferentes matrizes cerâmicas. 
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RAMIFICAÇÃO DE TRINCAS
Ocorre quando parte da energia de propagação da
trinca é utilizada para criar uma ramificação, fazendo com
que a trinca principal diminuir seu potencial de
propagação.
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RAMIFICAÇÃO DE TRINCAS
As ramificações são ocasionadas pela presença de fases 
secundárias. 
Normalmente ela ocorre junto da deflexão de trincas e 
também do microtrincamento.
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MICROTRINCAMENTO
Um material cerâmico pode ter microtrincas, estas ficam 
no caminho de propagação de uma trinca e por sua vez, 
absorver a energia da trinca principal. 
As microtrincas podem surgir como uma resposta a
transformação de fase do material, que promove tensões
residuais.
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MICROTRINCAMENTO
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PONTEAMENTO
A trinca percorre o material cerâmico, passando por trás 
da fase de reforço. 
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PONTEAMENTO
A fase secundária 
deve ser: 
 fibras;
 whiskers;
 grãos alongados.
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TENSÃO COMPRESSIVA
É utilizada, pois para que a cerâmica frature, a trinca
deverá superar a tensão compressiva presente no material.
E os materiais cerâmicos suportam altas tensões
compressivas.
As técnicas mais utilizadas são:
o pré tensionamento de superfície;
o Adição de fibras tensionadas. 75
TENSÃO COMPRESSIVA
O pré tensionamento da superfícies, consiste em aquecer a
peça até a Tg e então resfria-la por igual com jatos de ar.
O exterior vai resfriar mais rápido do que o interior e essa
diferença ocasiona a compressão.
A superfície sofre compressão enquanto o interior sofre
tração. 76
TENSÃO COMPRESSIVA
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TENSÃO COMPRESSIVA
Esse pré tensionamento também é conhecido como
têmpera.
Um clássico exemplo é o vidro temperado, cuja resistência
chega a cerca até 5 vezes maior do que o vidro comum.
A empresa Corelle produz louças com pré tensionamento, 
estas são mais resistentes do que a porcelana. 78
TENSÃO COMPRESSIVA
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TENSÃO COMPRESSIVA - PROTENÇÃO
Um material comum é o 
concreto protendido, 
que consiste em aplicar 
tensão de compressão 
em vigas e estão são 
colocadas dentro do 
concreto. A compressão 
da viga anula as tensões 
de tração do concreto.
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TENSÃO COMPRESSIVA - PROTENÇÃO
Na proteção, cabos de aço são colocados em espaços
vazios e esticados com o auxílio de macacos hidráulicos. A
tração é mantida constante.
Em seguida coloca-se o concreto e após o seu
endurecimento, a tração dos cabos é liberada.
Os cabos retornam a posição de origem, promovendo a
compressão do concreto. 82
TENSÃO COMPRESSIVA - PROTENÇÃO
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TENSÃO COMPRESSIVA - PROTENÇÃO
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
É quando a energia da trinca é utilizada para promover a
transformação de fase do material.
Existem exigências para que a tenacificação por
transformação de fase seja efetiva.
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
As exigências são:
 Necessário haver uma fase metaestável, a qual poderá
ser induzida por tensões provenientes da ponta da trinca.
 A transformação de fase deve ser instantânea,
independer do tempo.
 A fase deve sofrer mudança de forma e/ou volume.
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TRANSFORMAÇÃO 
DE FASE
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
Obter uma fase metaestável a temperatura ambiente
depende da presença de elementos dopantes, na
proporção de 3-5%.
Os dopantes mais comuns para a zircônia são:
 CaO;
 MgO;
𝑌2𝑂3;
𝐶𝑒𝑂2. 88
TRANSFORMAÇÃO DE FASE
A fase mestaestável da zircônia é a tetragonal, que com a tensão
de trinca se transforma na monoclínica.
Nessa mudança de fase, a zircônia de expande e sofre um
aumento de 3 a 5% no seu volume.
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
O nitreto de silício também possui uma fase metaestável.
𝛼 − 𝑆𝑖3𝑁4 = simetria triangular
β−𝑆𝑖3𝑁4 = simetria hexagonal
A fase α é instável, enquanto que a β é 
estável.
Em altas temperaturas, em reações do 
estado sólido com presença de fase 
líquida, a fase α vira β.
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
Nitreto de silício é uma cerâmica covalente e por isso não
sinteriza por estado sólido.
Os principais aditivos do nitreto de silício são:
 MgO;
𝐴𝑙2𝑂3;
𝑌2𝑂3.
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
Na fase líquida as 
partículas de 𝛼 − 𝑆𝑖3𝑁4
são dissolvidas e a 
supersaturação promove
a precipitação de grãos
de β−𝑆𝑖3𝑁4 .
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TRANSFORMAÇÃO DE FASE
Grãos de de β−𝑆𝑖3𝑁4
com seu formato
alongado.
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Obrigada por participarem!
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