超材料是通過在材料關鍵物理尺寸上的結構有序設計，突破某些表觀自然規律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術。超材料是一個具有重要軍事應用價值和廣泛應用前景的前沿技術領域，將對未來武器裝備發展和作戰產生革命性影響。

    新型材料顛覆傳統理論

    盡管超材料的概念出現在2000年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯科學家維克托·韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數和負的磁導率，電場矢量、磁場矢量以及波矢之間的關系將不再遵循作為經典電磁學基礎的“右手定則”，而呈現出與之相反的“負折射率關系”。這種物質將顛覆光學世界，使光波看起來如同倒流一般，并且在許多方面表現出有違常理的行為，例如光的負折射、“逆行光波”、反常多普勒效應等。這種設想在當時一經提出，就被科學界認為是“天方夜譚”。

    隨著傳統材料設計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發展超越常規材料性能極限的材料設計新思路，成為新材料研發的重要任務。2000年，首個關于負折射率材料的報告問世；2001年，美國加州大學圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時具有負介電常數和負磁導率的超材料；2002年，美國麻省理工學院研究人員從理論上證實了負折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范圍內取得了多項研究成果，被美國《科學》雜志評為當年全球十項重大科技進展之一。此后，超材料研究在世界范圍內取得了多項成果，維克托·韋謝拉戈的眾多預測都得到了實驗驗證。

    現有的超材料主要包括：負折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規材料相比，超材料主要有3個特征：

    一是具有新奇人工結構；

    二是具有超常規的物理性質；

    三是采用逆向設計思路，能“按需定制”。

    負折射率材料具有介電常數與磁導率同時為負值的電磁特性，電磁波在該介質中傳播時，電場強度、磁場強度與傳播矢量三者遵循負折射率螺旋定則，因此存在負折射效應、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現象。負折射率材料的實現使人類具備了自由調控電磁波的能力，這對未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測、強磁場、太陽能和微波能利用等技術將產生深遠的影響。

    光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質結構，是一種介電常數周期性分布的電介質復合結構，可以阻止某一種頻率的光波在其中的傳播。由于光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認為是未來的半導體，對光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外/雷達隱身等領域將產生重大影響。

    部分超材料示例

    “電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導電磁波螺旋式行進，直至被黑洞吸收，使基于引力場的黑洞很難在實驗室里模擬和驗證的難題迎刃而解。這一現象的發現，不僅將為太陽能利用技術增加新的途徑，產生全新的光熱太陽能電池，還能應用于紅外熱成像技術，大幅度提高紅外信號探測能力。

    頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結構，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構成。其可對不同頻段的入射電磁波進行有選擇性的發射或傳輸，已被廣泛應用于微波天線和雷達罩的設計中，也可用于反射面天線的負反射器，以實現頻率復用 ，提高天線的利用率。

    巨大價值引發全球關注

    超材料研究的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現出的革命性應用前景，使其得到了美國、歐洲、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神等機構的強力關注，現在已是國際上最熱門、最受矚目的前沿高技術之一。2010年，美國《科學》雜志將超材料列為21世紀前10年自然科學領域的10項重大突破之一。當前，國外的研究領域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實驗驗證、超材料設計、超材料加工制造和超材料的應用。

    美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一，美國國防部專門啟動了關于超材料的研究計劃；美國空軍科學研究辦公室把超材料列入“十大關鍵領域”；美國最大的6家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯合基金資助這方面的研究。歐盟組織了50多位相關領域頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，并給予高額經費支持。日本在經濟低迷之際出臺了一項研究計劃，至少支持兩個關于超材料技術的研究項目，每個項目約為30億日元（約合1.5億人民幣），同時將超材料列為下一代隱形戰斗機的核心關鍵技術。

    在多個項目的支持下，超材料技術取得了一系列新進展。例如，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與加利福尼亞大學合作完成了負折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國加利福尼亞大學完成了利用負折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國普渡大學和諾?？酥萘⒋髮W合作完成了負折射率材料對光線吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的研究團隊制造出了全球首個非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個方向都會得到增強；2014年，法國國家科學研究中心和法國波爾高等化學物理學院的研究人員通過結合物理化學組成和微流體技術，研發出了第一個三維超材料。

    使用超材料的隱身衣

    在超材料應用方面，有關國家和機構近年來啟動了多項研究計劃。如DARPA實施的負折射率材料研究計劃；美國杜克大學開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級和可重構的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業獲得小企業創新計劃和企業技術轉移資助計劃資助，對超材料技術進行了大量研究和產品轉化。目前，超材料領域已初步形成的產品包括超材料智能蒙皮、雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、通信天線、無人機載雷達等。

    神奇功能改變未來作戰

    超材料因其獨特的物理性能而一直備受人們的青睞，在軍事領域具有重大的應用前景。近年來，超材料在隱身、電子對抗、雷達等領域的應用成果不斷涌現，展現出巨大應用潛力和發展空間。

    隱身是近年來出鏡率最高的超材料應用，也是迄今為止超材料技術研究最為集中的方向，如美國的F-35戰斗機與DDG1000大型驅逐艦均應用了超材料隱身技術。未來，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應用潛力，在各類飛機、導彈、衛星、艦艇和地面車輛等方面將得到廣泛應用，使軍事隱身技術發生革命性變革。超材料實現隱身與傳統隱身技術的區別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術上實現真正意義上的隱身。

    在電磁隱身方面，2006年，美國杜克大學與英國帝國學院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設計方案，這種設計方案由10個同心圓筒組成，采用矩形開口環諧振器單元結構，實驗結果證實負折射率材料用于物體的隱身是可行的。2012年，美國東北大學采用摻雜鈧的M型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設計和試驗了可在33～44吉赫茲電磁波段實現可調的負折射率材料。美國雷神公司開發了“透波率可控人工復合蒙皮材料”，該材料采用嵌入了可變電容的金屬微結構頻率選擇表面，通過控制加載在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數，從而實現材料透波特性的人工控制，可應用于各種先進雷達系統和下一代隱身戰機的智能隱身蒙皮。

    在光學隱身方面，2012年，加拿大超隱形生物公司發明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能 “騙” 過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰機、艦艇和坦克上應用。2014年，美國佛羅里達大學的研究團隊研制出一種可實現可見光隱身的超材料，實現這一技術突破的關鍵是利用納米轉移印刷技術制造出一種多層三維超材料。納米轉移印刷技術可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現隱身。

    在聲隱身方面，2011年，美國杜克大學卡默爾教授的團隊開發出一種二維聲學斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波探測到。2014年3月，杜克大學制造出世界上首個三維聲學斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面傳播，不反射也不透射，實現對探測聲波的隱身。三維聲學斗篷由一些具有重復排列小孔的塑料板組成，能在3千赫茲的聲波下表現出完美的隱身效果，驗證了聲學斗篷應用于主動聲吶對抗的可行性。此外，美海軍自主開發一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術，制造一種六角形晶胞結構的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內，實現對聲波引導，達到隱身目的。聲隱身超材料技術的發展將對潛艇等水下裝備的隱身產生變革性影響，有可能改變未來水下戰場的“游戲”規則。

    除了傳統意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員利用機械超材料制成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術，可以欺騙人體和探測設備的傳感器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊設計的次微米精度的晶體結構。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術雖然還在純粹的基礎物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應用開辟一條新路。

    天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國外眾多實驗表明，將超材料應用到導彈、雷達、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強天線的聚焦性和方向性。

    天線方面，雷神公司研發了超材料雙頻段小型化GPS天線，通過精確的人工微結構設計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的帶寬得到大幅拓展，其可應用于對天線尺寸要求苛刻的飛機平臺與個人便攜式戰術導航終端。2011年2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學聯合開發了一種新型電磁超材料，可用于在喇叭形衛星天線上，使產品體積更小，制造成本更低，并能夠顯著提高航天器天線的性能。2014年，英國BAE系統公司開發出一種可用于無人機通信的超材料平面天線，可使電磁波在透過平面天線后進行聚焦，在實現對電磁波聚焦的同時保留了平面天線的寬帶性能，克服了傳統拋物面天線變為平面天線所帶來的帶寬損失、低增益等問題，同時可實現一個天線替換多個天線，減少天線的數量。這一技術突破可能使飛機、艦艇、衛星等天線的設計產生劃時代的變革。

    雷達天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發出雷達罩用超材料智能結構，并應用于美軍新一代的E2“鷹眼”預警機，大幅提高了其雷達探測能力。通過采用超材料的特殊設計，該項目提供了解決傳統雷達罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結構質量輕，方便后期的改裝和維護，極大提高了E2“鷹眼”預警機的整體性能。

    導彈天線罩方面，美國雷神公司研制了基于超材料的導彈天線罩，可以使穿過導彈天線罩的電磁波不產生有效折射，有效提高導彈打擊精度。

    用于制作光學透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應用于微量污染物質探測、醫學診斷成像、單分子探測等領域；高定向性透鏡主要應用于透鏡天線、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統等領域；高分辨能力的平板型光學透鏡主要應用于集成電路的光學引導原件等領域。2012年，美國密西根大學完成一種新型超材料透鏡研究，可用于觀察尺寸小于100納米的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜范圍內工作性能良好。

    結 語

    超材料的重要意義不僅體現在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法—人們可以在不違背物理學基本規律的前提下，獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”。“一代材料，一代裝備”，創新材料的誕生及發展必將會催生出新的武器裝備與作戰樣式。誕生不久就受到全世界擁躉的“超級材料”能否成為下一個新材料傳奇？不禁令人無限地遐想和期待。

    延伸閱讀

    超材料發展到何種程度？還能走多遠？

    超材料主要有三個特征：

    1. 通常具有新奇人工結構的符合材料

    2. 具有目前所有自然界材料都不具備的性質

    3. 超材料的性質往往取決于其中的人工結構。

    超材料超常的物理性質和可以人工制備這兩大特性已讓它應用于當今社會的各大領域：汽車、軍事、能源、通信、智能結構等。

    汽車

    現如今汽車產業正朝著智能化方向飛速發展，通過在普通的汽車上裝備上先進的傳感器（雷達、攝像）、控制器、執行器等裝置，就可以通過車載傳感系統和信息終端實現人、車、路的信息交換，使汽車能夠感知外界環境，自動分析汽車行駛的安全及危險狀態，安全到達指定地點，達到最終可以替代人的目的。在這個思想的指導下，“智能蒙皮”應運而生，通過集成多個種類和數量的傳感器配合相機，可以同時顯示多輛車的速度、距離、角度等信息，有效地監控道路車輛狀況。這種超材料技術可以顯著地改善交通擁堵狀況和減少交通事故的發生，是超材料成功的產業應用之一。

    軍事

    許多國家在軍事方面投入巨大的人力物力財力，積極研發新技術應用于軍事武器，研發出可以隱身的超材料運用于戰斗機的制造，美國F-22猛禽戰斗機、美國F-35“閃電Ⅱ”、俄羅斯PAKFAT-50戰斗機、日本ATD-X“心神”戰斗機等就是超材料運用于戰斗機的成功案例，這些戰斗機早已經在戰場上威名遠揚，立下赫赫戰功。另外，機載的智能蒙皮天線運用超材料技術對人造“原子”進行組合設計，可逆向實現材料對電磁場的任意響應。采用超材料智能蒙皮技術，能有效地縮減天線的尺寸，實現寬頻天線的共形設計，還可通過采用低成本的輕質新型超材料，極大地提高飛機的雷達天線、隱身和氣動外形性能。

    能源

    “電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導電磁波螺旋式行進，直至被黑洞吸收，解決了基于引力場的黑洞很難在實驗室里模擬和驗證的難題。通過這個現象，可以研發出新的超材料為太陽能利用技術增加新的途徑，產生全新的光熱太陽能電池，還能應用于紅外熱成像技術，大幅度提高紅外信號探測能力。

    通信

    電磁超材料最具應用前景的就是無線 Wi-fi網絡，目前光啟已進入該領域。

    智能結構

    在這個領域中應用主要有兩類，地面行進裝備用智能結構和可穿戴式超材料智能結構。據調研公司ABI Research預測，可穿戴式超材料智能結構細分領域市場規模在2010~2020年間將以高達41%的年復合增長率發展， 到2020年該類材料市場規模將達到8.77億美元。

    超材料物理原理

    自然界材料由原子電子的規律排布組成，具有固定的電磁參數，不可人為改變。

    超材料是一種由材料組成的“材料”。其中，介于宏觀與微觀之間的介觀微結構是超材料的基本組成單元。超材料具有超越自然界材料電磁響應極限的特性，包括：

    1.可設計電磁參數

    2.電磁參數任意可調

    3.可設計的非均勻分布

    4.可設計的各向異性響應

    超材料技術是一種材料逆向設計技術。

    超材料電磁調制原理

    通過超材料對電磁波的響應，我們可以利用超材料任意控制電磁波傳播的方式。超材料可以超越自然界，讓電磁波往法線同一側折射，這種材料叫負折射率超材料；可以讓穿過它的電磁波發生極化的旋轉；可以讓遠方傳來的電磁波信號匯聚到一點；甚至可以實現科幻電影中的“隱身衣”，讓電磁波像流水一樣繞過物體，實現隱身功能。因此我們可以設計和制造在空間增益、波束偏折、極化旋轉、吸收、透明等各方面的高性能超材料器件?？傊牧霞夹g的核心關鍵就是對電磁波傳播的人為設計、任意控制。

    超材料產業化概況

    在超材料技術產業化方面，國外在積極進行超材料產業化研究的公司包括波音航天航空公司（美國）、豐田汽車公司（日本）、LG電子公司（韓國）、雷神導彈公司（美國）等；國內的深圳光啟高等理工研究院（簡稱“深圳光啟研究院”）在超材料產業化方面取得了一定成果，在推進超材料產業化方面走在世界前列，該研究院的超材料平板式衛星天線已經在個別地區得到了應用。

    通過分析全球重點研究機構超材料研究的最新動態，可以及時了解超材料研究的發展方向及新興市場。因而，通過對全球重點研究機構的部分超材料研究進行的解讀，可以看出，超材料制造、激光器和光子晶體諧振器是研究機構和企業比較關注的應用研究領域。

    此外，佳能株式會社還關注將超材料用于微結構制造和發光器件的研究；日本電報電話公司還關注將其用于天線裝置和光諧振器的研究；深圳光啟研究院還關注將其用于封裝夾具、集熱器等方面的研究；三星電子還關注將其用于射頻識別系統、光纖等的研究；中國科學院還關注將其用于可集成量子行走器件等的研究；京都大學還關注將其用于光電轉換元件和太陽能電池等的研究；麻省理工學院還致力于將超材料用于陀螺儀和光纖波導等領域的研究。近2年，韓國、德國、法國和俄羅斯的超材料領域研究也快速發展，世界超材料領域研究競爭更加激烈。

    發展前景

    超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規模的產業化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現因技術的進一步突破取得更多成果的領域。未來，超材料的研發要注重以下一些方向：

    ①對超材料的工作頻段和方向控制的研究。從工作頻段來說，超材料的頻段還只能達到紅外層次，同時大多數負折射率材料僅能在某些角度上實現負折射現象。對于實現更好隱身功能需要來說，其工作波段最少應覆蓋整個可見光波段，同時也需要實現具有各向同性的特性，即從更寬的光波波段和不同方向上實現對光的控制。這將是未來超材料發展的重要課題。

    ②超材料的產業化發展。超材料技術目前還處于實驗室到產品中試階段，如果要進行更大規模的產業化，還需要研究大規模制造大體積超材料的方法。目前實驗室僅掌握在平面上的超材料的制造工藝，具有三維空間的立體超材料還未實現。同時表面工藝也僅僅局限在很小的面積上，這距大規模地使用還有很長的距離。如何實現大規模地制造超材料是實現超材料廣泛使用的重要前提。

    ③新型超材料及其功能的設計、性能優化及相關模擬仿真方法。

    ④不同超材料之間相互作用的研究。這一方向的研究主要包括對超材料進場波與超材料自由空間電磁波的耦合研究，以及對超材料內部的傳播性質的研究。而對其規律性的研究又不斷提出新的理論、技術、方法的需求，從而推動與此相關的新理論概念、分析方法和實驗測量技術的發展。

    我國超材料產業發展存在哪些問題？

    1、超材料設計能力有待進一步提升

    為湃足對大量超材料微結構的精確仿真和計算，需要不斷優化運算模型，并進一步提高超算中心的運算能力。目前，我國在電磁器件仿真實驗、實驗設計、統計優化方面與發達國家存在一定差距。如在大規模復雜電磁結構數值分析和仿真實驗方面，國外已普遍利用統計建模和優化方法來實現電磁器件的設計和優化，并可根據實際清況對現有方法進行修止和改進，而我國超材料設計方法仍存在計算效率低、尋優算法收斂難等問題。

    2、制備加工枝術難以滿足超材料產業化需求

    受制于制備工藝和設備不完善，現階段我國大部分超材料樣品是在“作坊式”的環境下制作出來的，部分復雜結構的超材料器件仍需通過手工完成。由此帶來的制備效率低、制備成本高‘精細加工能力弱、可重復性差等問題成為制約超材料大規棋產業化的主要瓶須。如在微結構共形加工方面，日前尚難以實現復雜形面三維結構的加工，一般只能通過多塊超材料拼接完成加工難度大，精度難以滿足設計要求。而在大幅面超材料微結構制備方面，超材料所要求的線路公差控制要求較高，達標設備供應商數最有限，貨源不穩定。

    3、高端測試設備面臨禁運

    酉方發達國家長期對我封鎖超精密測試技術和儀器設備，導致我國在超材料的無損檢測領城內缺乏有效工具，準以實時監控超材料加工質量和精度。日前，研究人員大多依賴有損檢測及應用效果證實材料的有效性，導致超材料器件制備效率低、制備質量差、研制周期長，浪費了大最人力物力和時間成本。

    4、超材料服役條件下的適應性和可靠性尚需研究

    目前，針對超材料性能的研究多在實驗常條件下完成，而在服役條件下則缺乏相應的研究手段。探索超材料在服役條件下的性能演變規律和失效機理，進而改善超材料服役性能，確保使用可靠，將會進一步拓寬超材料的應用范圍。

    5、商業模式亟待創新

    超材料應用前景廣闊，但掌擁超材料設計方法和制備手段的單位數量較為有限。受困于成本囚素，目前超材料僅在軍事國防、部分公共設施等少數領域得到應用并未在國民經濟相關領域實現大規模推廣。亟待通過商業模式創新，實現超材料在多個領城的大規模應用推廣和市場拓展。

    我國超材料產業如何快速健康發展？

    1、建立標準，規范產業秩序

    標準化作為支撐科技創新配套鏈條的關健一環，將有利于推進超材料技術進步和成果固化，將為超材料產業的有序化、規范化、高速化發展提供技術支待，將為超材料產品的商業化、市場化提供保障，有利于引導資源的合理分配，規范超材 料在經貿領域的秩序，統籌超材料上、下游產業的發展導向，促進超材料市場特續健康發展，進而拉動新材料產亞領城經濟。

    2、統籌規劃，整合現有資源

    盡快建立超材料關誰共性技術研發和服務平臺，鼓助企業、科研院所、關鍵用戶開展深層次的合作研發。成立技術創新戰略聯盟，整合系統資源，為超材料產業發展提供技術服務，促進超材料技術科伎成果的轉化應用，進而帶動新材料、新一代信息技術、高端裝備制造等戰略性新興產業的跨越式發展，發揮產業示范引領作用

    3、強化基礎研究，完善創備能力

    現階段超材料技術大規模應用的主要瓶頸來自于加工和測試設備的缺失，應進一步強化超材料技術的基礎研究，完善基于超材料關健技術的產品設計、制備封裝、性能測試、工藝開發等技術，突破國外技術封鎖。

    4、積極推動，創新商業模式

    通過需求牽引，積極推動基于超材料技術的傳統產品升級和產業化推廣工作，優化制備工藝，降低生產成本，重點支持超材料技術在航空航天、衛星通信、無線互聯等領域的應用示范和創新工程。

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責任編輯：王元

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