Ceramicos

CERÁMICOS  Compuestos inorgánicos elementos metálicos y metálicos, enlaces iónicos covalentes. Palabr Palabras as griega griegas: s:

de no y/o

arci arcilla lla del del alfar alfarer ero. o. Keramikos: prod produc ucto toss de  Arcilla. Keramos:

Primer uso: alfarería y en los tabi tabiqu ques es 4000 4000 a.C. a.C.

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1

CERÁMICOS 

 Compuestos

de sustancias inorgánicas fundamentalmente óxidos y sales metálicas, excl excluy uyen endo do meta metale less puro puros. s.  Buen uenos aisl sla antes ntes elé eléctri ctrico coss y térm térmic ico os.  Frági rágile less e inde indefo form rmab able les. s.  Resistenci cia a a altas tas temperat raturas ras (alta temp emperatura tura de fusi fusión ón). ).  Densid ensidade adess medi medias. as.  Gran ran esta estabi bililida dad d quím químic ica. a.

Ejemplos: Ladrillos, Ladrillos, porcelanas, vidrios, nitruros, etc. Universidad Nacional de Colombia

2

CERÁMICOS 

 Compuestos

de sustancias inorgánicas fundamentalmente óxidos y sales metálicas, excl excluy uyen endo do meta metale less puro puros. s.  Buen uenos aisl sla antes ntes elé eléctri ctrico coss y térm térmic ico os.  Frági rágile less e inde indefo form rmab able les. s.  Resistenci cia a a altas tas temperat raturas ras (alta temp emperatura tura de fusi fusión ón). ).  Densid ensidade adess medi medias. as.  Gran ran esta estabi bililida dad d quím químic ica. a.

Ejemplos: Ladrillos, Ladrillos, porcelanas, vidrios, nitruros, etc. Universidad Nacional de Colombia

2

CERÁMICOS 

Porcentajes de carácter iónico y covalente del enlace

para compuestos cerámicos:

Compuesto cerámico Óxido de magnesio, MgO Óxido de aluminio, Al2O3 Dióxido de silicio, SiO2 Nitruro de silicio, Si3N4 Carburo de silicio, SiC

 Átomos Diferencia de % Carácter  % Carácter  enlazados electronegatividad iónico covalente Mg-O 73 2,3 27  Al-O 63 37 2,0 1,7 Si-O 51 49 1,2 Si-N 30 70 11 89 Si-C 0,7

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Estructuras cerámicas Cuando los átomos se disponen periódicamente, forman una estructura cristalina. Por la forma en que se han obtenido no se logra la ordenación perfecta y aparece la estructura vítrea o mixta vitrocerámica

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Propiedades térmicas Tienen baja conductividad térmica por  lo que se usan como aislantes térmicos y materiales refractarios. Materiales cerámicos refractarios: resistencia a baja y alta temperatura, a la corrosión erosión y a la penetración por líquidos y gases.

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CERÁMICOS 

Compuestos cerámicos sencillos con sus puntos de fusión: Punto de fusión, °C Carburo de hafnio, HfC 4150 Carburo de titanio, TiC 3120 Carburo de wolframio, WC 2850 Óxido de magnesio, MgO 2798 Carburo de silicio, SiC 2500 Compuesto cerámico

Compuesto cerámico Carburo de boro, B4C Óxido de aluminio, Al2O3 Dióxido de silicio, SiO2 Nitruro de silicio, Si3N4 Dióxido de titanio, TiO 2

Punto de fusión, °C 2450 2050 1715 1900 1605

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CERÁMICOS 

Los

cerámicos se pueden dividir : Materiales

Cerámicos Productos

Vidrios

  s   o    i   r    d    i    V

Refractarios Abrasivos Cementos

de Arcilla

  s   o   c    i   m    á   r   e   c   o   r    t    i    V

  s   e   s   l   a   o  a   l    t   r   l    i   c   u   c   u   t   r    d  c   a   u   o   r   e   r   t    d        P  s    E

  s   a   n   a    l   e   c   r   o

       P

  a    i   r   a    l   a    l    i    t   c   c   r   a   r    A   f   e

  e   c    i    l    í    S

  o   c    i   s    á    B

Cerámicas Avanzadas

  s   e    l   a    i   c   e   p   s    E

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MATERI ALES REFR ACTARIOS

Refractarios ácidos: se basan en SiO 2 y Al2O3 Refractarios      

sílice: alta refractabilidad, resistencia mecánica y rigidez a temperaturas cercanas a sus puntos de fusión. Barros      

refractarios: mezcla de barro, arcilla de sílex y grog de arcilla (de partícula gruesa). Refractarios      

altos en alúmina: poseen 50-99% de alúmina, alta dureza, resistencia al desgaste, estabilidad química y bajo coeficiente de expansión térmica.

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Refractarios básicos Compuestos principalmente por MgO, CaO, también de Cr 2O3, alta densidad, alta temperatura de fusión, buena resistencia al ataque químico de escorias básicas y óxidos. Los

refractarios con 92-95% de Mg se utilizan en el recubrimiento para el proceso básico de oxigeno en la fabricación de acero.

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VIDRIOS

Material cerámico que no presenta una estructura cristalina (amorfo), que se ha enfriado hasta un estado rígido sin cristalización.

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CERÁMICOS  Temperatura (Tg)

de transición vítrea

Se presenta cuando un liquido no cristaliza al enfriarse si no que se vuelve mas viscoso a medida que baja la temperatura, pasa de un estado plástico a un estado vítreo rígido y frágil.

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CERÁMICOS 

Estructura de los vidrios La mayoría se basan en SiO4 o el B2O3 con un enlace covalente iónico que es un aditivo de vidrios comerciales como los borosilicatos y los aluminoborosilicatos. Óxidos modificadores: óxidos alcalinos y alcalinotérreos que rompen la red vítrea, disminuyen su viscosidad para un fácil conformado.

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CERÁMICOS  Óxido intermedios en vidrios: no forman una red vítrea pero si se unen a una para conferirle propiedades especiales.

Ejemplo los vidrios aluminosilicatos que tienen una resistencia a temperaturas mas altas que el vidrio común. Entre los vidrios mas comunes tenemos: 1%

      Vidrio

soda cal: 90%

de todo el vidrio producido.

Composición 0%

11%

SiO2 CaO

13%

NaO2 75%

MgO  Al2O3

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      Vidrios

de borosilicato:

sustitución de óxidos alcalinos por óxido bórico. Se usa en equipos de laboratorio, tuberías, utensilios para hornos.       Vidrios

de plomo:

Alto contenido de plomo, bajo punto de fusión. Se usan en protectores para soldar-sellar, protectores de radiación, fundas de lámparas fluorescentes, lentes ópticas y vidrios decorativos.

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Composición de diversos vidrios

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Deformación viscosa de vidrios Se comporta como un liquido viscoso (superenfriado) por arriba de su temperatura de Tg, bajo tensión los grupos de átomos se deslizan permitiendo la deformación por arriba del Tg, pero no se logra evitar el flujo viscoso si el esfuerzo aplicado es suficiente alto.

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Para comparar los vidrios se usan los puntos

de la viscosidad que son: 1.

Punto de trabajo: viscosidad = 10*3 Pa.s.

2.

Punto de reblandecimiento: viscosidad= 10*7 Pa.s.

3. Punto de recocido: viscosidad= 10*12 Pa.s. 4. Punto de deformación: viscosidad=10*17.5 Pa.s.

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Métodos de formación para vidrios Formado

de laminas y placas de vidrio:

El vidrio que sale del horno flota sobre la superficie de un baño de estaño fundido, luego pasa a un horno de recocido donde se eliminan los esfuerzos residuales. Soplado,

prensado y moldeado de vidrio :

El aire obligue al vidrio fundido a adaptarse a los moldes. Se realizan artículos hondos como: botellas, jarras, cubiertas de bombillas luminosas, lentes ópticos y de faros herméticos.

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CERÁMICOS  VIDRIO TEMPLADO

Se endurece por enfriamiento rápido de aire, resistencia al impacto 4 veces mas que el vidrio recocido. Se utiliza en las ventanillas de los automóviles y en vidrios de seguridad para puertas. VIDRIO REFORZADO Los iones

QUIMICAMENTE

pequeños son reemplazados por los iones mas grandes.

Se usan en secciones transversales delgadas, en ventanillas de aviones supersónicos y lentes oftálmicos.

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Los cerámicos se pueden dividir en dos clases generales: 

Cerámicos Tradicionales.



Cerámicos de Ingeniería.

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CER ÁMICOS TR ADICIONALES: Constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato.

Ej.: vajillas, tejas, losetas cerámicas, tubos de atarjea, alfarería, porcelanas, materiales de construcción, etc.

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CER ÁMICOS DE INGENIERÍ A (Cerámicos Industriales, de  Alta Tecnología o Cerámicos Finos): Constituidos por compuestos puros o casi puros, como óxidos de aluminio (Al2O3), carburo de silicio(SiC) y nitruro de silicio (Si 3N4). Ej.: componentes para turbinas, automóviles, usos aeroespaciales, intercambiadores de calor, semiconductores, sellos, prótesis, herramientas de corte, etc.

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Procesado de los Cerámicos Los

productos cerámicos son manufacturados compactando

polvos o partículas

en matrices que son calentadas para

enlazar partículas entre si.

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Procesado de los Cerámicos Procesado de cerámicos por aglomeración: 1.

Preparación del material

2.

Moldeado o colada

3. Tratamiento térmico de secado (normalmente no se requiere) 4. Sinterizado. Universidad Nacional de

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Preparación del Material

Las

materias primas requeridas varían de acuerdo a las

propiedades de la pieza cerámica requerida. Las

partículas y otros ingredientes pueden ser mezclados en

seco, en húmedo o con agua

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Técnicas de Conformado Por aglomeración se pueden conformar en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los

procesos de conformado en frió son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de moldeado en caliente se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son métodos de moldeado de cerámicos que se utilizan mas comúnmente.

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Técnicas de Conformado Prensado La

materia prima cerámica puede ser prensada en estado seco,

plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos con una forma determinada. A excepción de los productos de vidrio y el hormigón.

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Técnicas de Conformado Prensado en Seco.

Es el método que mas se usa para productos refractarios y componentes cerámicos electrónicos. Se define como la compactación uniaxial simultánea y conformación de polvo granulado con pequeñas cantidades de agua y/o cimentadores orgánicos en un troquel.

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Técnicas de Conformado Prensado en Seco.

(a) (b) Llenado c) Prensado (d) Expulsión . Universidad Nacional de

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Técnicas de Conformado

Compactación Isostática. El polvo cerámico se carga en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (cartucho) que esta dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se le aplica presión. Después

las partículas normalmente se sinterizan.

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Técnicas de Conformado

Compactación Isostática Parte superior del molde

Entradas laterales del fluido hidráulico

Sección transversal de una pieza aislante de bujía mediante moldeo por compactación isostática (3000 a 6000 psi).

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Técnicas de Conformado Compactación Isostática.

La

fuerza de presión compacta el polvo uniformemente en

todas las direcciones, tomando el producto la forma del contenedor flexible. Después se sinteriza. Ejemplos: refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, crisoles, herramientas de carburo y cojinetes. Universidad Nacional de

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Técnicas de Conformado Compactación en Caliente. Con este proceso se consiguen piezas cerámicas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión y los tratamientos de sinterizado. Se utilizan tanto la presión unidireccional como los métodos isostáticos.

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Técnicas de Conformado Moldeo en barbotina (fundición por revestimiento). 1.

Preparación del cerámico en polvo y un líquido (generalmente arcilla y agua) en una solución estable llamada barbotina.

2.

Vertido de la barbotina en un molde poroso de yeso, que permita la absorción parcial de la porción líquida de la barbotina por el molde  se forma una capa de material semiduro contra la superficie del molde.

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Técnicas de Conformado Moldeo en barbotina (fundición por revestimiento).

3. Cuando se ha formado un espesor suficiente se interrumpe el proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la cavidad (escurrido). 4. Se deja secar el material dentro del molde hasta alcanzar la resistencia necesaria para ser manipulado y retirar del molde. 5. Realizar el sinterizado.

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Técnicas de Conformado Moldeo en barbotina (fundición por revestimiento).

Ventajoso cuando lo que se quiere son piezas de paredes delgadas y piezas complejas con paredes de espesor  constante. Económico para producciones reducidas.

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Técnicas de Conformado Extrusión. Por este método se pueden producir (con el cerámico en estado plástico) secciones transversales sencillas y formas huecas a través de un troquel. Ejemplos: ladrillos refractarios, tuberías de alcantarillado, tejas, cerámicas técnicas y aislantes eléctricos.

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Técnicas de Conformado Extrusión. Cámara trituradora de arcilla

Vacío Boquilla de extrusión

Hélice extractora de aire Orificios para triturar columnas de arcillas

Hélice de extrusión

Sección transversal de una combinación de trituradora- mezcladora (amasadora de arcilla) y máquina de extrusión de tornillo sin fin-vacío. Universidad Nacional de

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Tratamientos Térmicos Sinterizado

Secado

Vitrificación

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Tratamientos Térmicos Sinterización. Unión

de pequeñas partículas por difusión en estado sólido.

Producto poroso compacto  denso y coherente. Ejemplos: formas cerámicas de alúmina, ferritas y titanatos.

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Tratamientos Térmicos Sinterización. La

difusión atómica tiene lugar en las superficies en contacto de las partículas a fin que resulten químicamente unidas. difusión alarga el área de contacto para formar un cuello.

Formación de

Ninguna contracción

un cuello de radio  V

La

Formación de un cuello durante la

sinterización de dos partículas pequeñas. Universidad Nacional de Colombia

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Tratamientos Térmicos

Sinterización. Mientras las partículas consiguen aumentar de tamaño con el tiempo de sinterizado la porosidad de los conglomerados decrece.

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Tratamientos Térmicos

Porosidad frente al tiempo de compactos de MgO dopados con un 0,2% en peso de CaO y sinterizado al aire estático a 1330 y 1430 ºC. Una

mayor temperatura de sinterizado produce una disminución mas rapida de la porosidad y un nivel de porosidad mas bajo.

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Tratamientos Térmicos Vitrificación Proceso por el cual la fase cristalina se licua y rellena los poros del material

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Cerámicos Tradicionales Los

cerámicos tradicionales están constituidos por  tres tipos básicos:   

Arcilla Sílice (Sílex). Feldespato.

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Cerámicos Tradicionales

Composiciones químicas de al gunas arcillas

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Cerámicas avanzadas y procesado Los

cerámicos técnicos o de ingeniería están constituidos

principalmente por compuestos puros o casi puros, óxidos, nitruros o carburos.

Los

principales son la alúmina, el nitruro de silicio, carburo de

silicio y Zirconia.

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Cerámicas avanzadas y procesado Alúmina (Al2O3) Desarrollada

originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de utilización a elevadas temperaturas. El ejemplo clásico es la utilización de la alúmina en materiales aislantes de las bujías.

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Cerámicas avanzadas y procesado Alúmina (Al2O3) La

alúmina se emplea frecuentemente para aplicaciones eléctricas de buena calidad, donde se precisan bajas pérdidas dieléctricas y alta resistividad.

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Cerámicas avanzadas y procesado Nitruro de silicio (SI3N4) Los

materiales cerámicos con base de nitruro tienen una combinación de propiedades mecánicas ingenieriles, como resistencia razonable, resistencia al impacto y propiedades refractarias. Se disocia significativamente a temperaturas por encima de los 1800ºC entonces no se puede sinterizar directamente. Por esto se han desarrollado otros métodos de fabricación del nitruro de silicio. Universidad Nacional de

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Cerámicas avanzadas y procesado Nitruro de silicio (SI3N4) Existen cuatro procesos principales Proceso

por reacción de unión (RBSN)

Proceso de compactación en caliente de nitruro de

silicio (HPSN)

Proceso de nitruro de silicio sinterizado (SSN) Proceso de nitruro de silicio de compactación isostática (HIP-SN).

en caliente

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Cerámicas avanzadas y procesado Nitruro de silicio (SI3N4) Se puede producir nitruro de silicio por  Compactación en caliente usando de un 1 a un 5% de MgO. Compactación en caliente o por compactación isostática en caliente, añadiendo distintas cantidades de MgO.

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Cerámicas avanzadas y procesado Nitruro de silicio (SI3N4) Aplicaciones Herramientas de corte, rodillos antifricción y cojinetes de bolas, componentes para motores de explosión o diesel. Este material también se ha investigado para estudiar su posible uso en aplicaciones para motores avanzados.

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Cerámicas avanzadas y procesado Carburo de Silicio (SiC) Son cerámicos con alta dureza , inertes químicamente con buena resistencia a la abrasión y a la oxidación a altas temperaturas. Presenta baja resistencia al impacto por lo que es quebradizo y es difícil producir piezas cerámicas densas de grano fino.

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Propiedades Eléctricas de los Cerámicos Los

materiales cerámicos se utilizan en gran medida en aplicaciones eléctricas y electrónicas . Son utilizados como aislantes eléctricos y tienen aplicación en varios tipos de condensadores. Cerámicos piezoeléctricos: capaces de convertir señales débiles de presión en señales eléctricas y viceversa

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Propiedades Eléctricas de los Cerámicos Materiales aislantes cerámicos

Este comportamiento se debe a que la unión iónica y covalente en los cerámicos restringe la movilidad iónica y electrónica determinando así que sean buenos aislantes.

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Propiedades Eléctricas de los Cerámicos Porcelana Eléctrica

Compuesta de 50% arcilla, 25% SiO2 , 25% feldespato.

Esteatita Buenos

aislantes por tener un factor de perdida bajo, baja absorción de humedad y alta resistencia al impacto 90% talco 10% arcilla. Fosterita

Mg2SiO4

No posee iones alcalinos en fase vítrea así que tiene mayor resistividad y menor  perdida eléctrica al aumentar T que la esteatita.

Alúmina

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Propiedades Eléctricas de los Cerámicos Materiales cerámicos para condensadores Los

materiales cerámicos son usados como dieléctricos para condensadores de disco cerámico siendo estos los mas utilizados. Formados

principalmente por Titanato de Bario BaTiO3

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Propiedades Eléctricas de los Cerámicos

Semiconductores cerámicos. Hay cierto número de cerámicas que son semiconductoras La mayoría de ellas son óxidos de metales de transición que son semiconductores II-IV como el oxido de zinc. Los

materiales cerámicos con propiedades semiconductoras son utilizados en dispositivos como el termistor.

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Propiedades Mecánicas de los Cerámicos

Son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad por  ser materiales porosos. Los

poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como concentradores de

esfuerzo El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa Muestran deformaciones plásticas aunque debido a la rigidez de la estructura la deformación ocurre de forma muy lenta. Universidad Nacional de

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