材料均有一定的耐用期限

1993年10月1日，东海道新干线迎来了运营130周年，迄今已运送了27亿人次。此前不久的9月22日，美国阿拉巴马州铁桥突然崩塌，恰好驶过的列车坠落河中。人们不由得涌起一阵不安：新干线的铁桥是不是哪一天也会突然崩塌呢？

桥梁有一定的使用年限，然而未必所有的桥梁的使用年限均相同。恰似预料人的寿命一样，无法预测出某一座桥的使用年限。如把还能使用的桥毁了去造新的桥，固然保险，但却未免可惜，若说确信还能使用，说不定某一天却突然损坏，或许就会引起无法挽救的惨祸。因此，无论如何得有一个好的方法，来检查、确定某座桥还尽可使用呢，抑或不久就要损坏。

1985年8月，由羽田机场飞往大阪的大型客机在群马县御巢鹰山山麓坠毁。后经查明，事故原因系由于由飞机后部隔板上裂缝泄漏的空气造成的冲击波把尾翼刮跑所引起的。那么为什么事先没有发现这个裂缝呢？万一新干线铁桥也存在着没有发现的裂缝而一里发生崩塌呢。每念及此，就不禁令人不寒而栗。现代技术，甚至尖端技术都不能很好应付此等重要的事，叫人着实担心。

要是材料也能一旦“疲劳”就发出信号……

跟桥或飞机的材料相比，构成我们人体的物质无论是强度还是耐久性都要低得多，尽管如此，人的寿命却还是相当长，这是因为人能够自己判明“已经疲劳”，通过休息即能得到恢复。桥梁或飞机的材料如果也能发出表明“疲劳了，似乎马上就要损坏了”的某种信号，我们就可有针对性地进行修理或更换。但若是发生了致命性破坏才发出信号，那就太晚了。尽管同样是诊断，后者却已成了“死亡诊断”。诊断绝对必须在有效期间进行，即必须是“健康诊断”。

即便是健康诊断，通常也必须注意，也有由于进行诊断反而损伤健康的。如诊断过分复杂，必然导致费用过高，没有实用意义。这样的话，就看不出诊断有什么好处。以桥来说，可以在似乎即将损坏的地方配备应变仪等传感器。如果看出哪里可能要损坏，就应先对该处进行加固。但是，遇到不知道哪里会损坏的情况，就必须到处贴满传感器，这样传感器的费用甚至可能超过桥的造价，这样的诊断就毫无意义了。

创造耐久的材料

解决办法出奇地简单，可以制造耐久一些的、即二组分的复合材料。为此可把硬而脆的A材料和软而耐久的B材料组合使用。如果单是材料A，虽然坚硬，但由于脆性，会突然发生破坏。如果单是材料B，则由于过于柔软，受力就简单地发生变形。这样一种由性质恰好相反的A和B复合成的材料，即使材料A发生破坏，材料B暂时还有效。如果此时能获得某种明确的信号，我们当然就能设法对付。

那么，怎样才能获取清楚明确的信号呢？方法很简单。如材料A除前述性质外，再赋以导电性，使材料B再具有绝缘性，则在材料A破坏而材料B尚未破坏时，材料整体的电阻就会变大，据此即可得知材料已有毛病。如果单是材料A，电阻大幅度增大时，材料已濒临致命的破坏状态。这虽然同样是诊断，却不过是“死亡诊断”而已。这里必须要有材料B，且还必须继续保持有效状态。此外，如果单是材料A的话，在即将发生破坏前电阻已几乎没有什么变化，要测出这样仅有的一点电阻变化，就必须采用精密的检测仪器。那么，用什么样的组合，才能解决上述问题呢？可用碳纤维作材料A，用玻璃纤维作材料B加以组合，即可解决这一问题。此时即使发现电阻显著增大，尚不致发生致命性破坏，足以从容在其有效期间检验其“健康”状态的变化。

此外，对这种材料即使只施加过一疼能使其电阻增大的力，当把力除去后，它还会以残余电阻记忆着。如用传感器则不能，一旦除去外力，传感器指示值即回到零，要想知道材料过去的最大形变，就必须动用计算机。这样一来，技术复杂，费用就大了。如利用碳纤维与玻璃纤维的组合，显然十分简单，费用很低。这可以用来进行“病历诊断”。前述失事的飞机，其后部隔板一定存在着肉眼看不到的、隐蔽的、相当大的裂纹。不胜遗憾，要是当时能用上测定明显残余电阻值的技术，就可以避免惨祸的发生。

智探材料

正当笔者设计材料的自诊断装置时，运用上述技术，但用于完全不同目的碳纤维玻璃纤维复合体问世了。它是用来代替钢筋混凝土中的钢筋的。混凝土缺乏抗张能力，故用钢筋来加固。但钢筋会生锈并会发生膨胀。尤其是在寒冷地区，施工时在混凝土中常掺入盐类以防冻结，由此钢筋非常容易生锈。因此转而寻求不会生锈而且与钢铁具有同等强度及柔韧度的材料，最终制得的就是“碳纤维玻璃纤维复合体”。正是不谋而合，它恰巧也是导体和绝缘体的组合。就这样，通过与不同领域的工作者的交流，产生了坚固的智能材料。使用这种材料，由于增强材料本身就是传感器，所以就不再需要复杂的传感系统。

［化学（日），1994年第1期］