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揭开超材料技术的神秘面纱

  超材料是一种特种复合材料或结构,是根据实际使用需要,通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计,使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。目前,超材料的主要研究和应用集中在电磁领域,相关概念、方法和研究应用已经扩展到声波、太赫兹、光波、热学、力学等领域。
 
 
 
  在电磁学、光学、材料学和微波工程技术等领域,人们习惯用介电常数ε和磁导率μ来描述材料的电磁本构性质,并且认为这两个材料参数的相对值(相对介电常数、相对磁导率)通常是大于或等于1。苏联科学家Veslago曾在1968年撰文研究介电常数和磁导率同时为负值材料的奇异特性,但人们并未给予重视。2000年左右,英国帝国理工大学的J.B. Pendry教授发现了可采用金属线和金属谐振结构单元在微波频段分别实现负介电常数和负磁导率,与此同时,美国杜克大学的D.R. Smith教授等在微波频段首次实现了介电常数和磁导率同时为负的材料,由此引发了材料设计思想上的变革。人们首次明确地认识到,由人工构建的基本“单元”组成的“材料”可以超越自然界材料本征参数的限制,实现自然材料所不具有的物理特性和功能,这些被人工结构改性过的材料被统称为“超材料”(Metamaterials)。由此超材料作为独立学科诞生于2000年,成为一项在国际上热门的新兴交叉学科。
 
  2001年,D.R.Smith等科学家首次实现了微波段的左手材料,并证明了负折射材料的存在。2003年研发的“负折射率左手材料”被《科学》杂志评为“世界十大科技突破”之一。2006年,D.R.Smith等科学家和英国伦敦大学帝国学院J.B.Pendry共同提出了超材料薄层能够让光线绕过物体从而使物体隐形的预测,并展示了隐形斗篷的雏形,同年也被《科学》杂志评为“世界十大科技突破”之一。2007年《Materials Today》评选超材料为材料科学领域在过去50年间的10大进展之一。2009年1月,刘若鹏和季春霖等人第一次实现了宽频带超材料隐身衣的设计与制备,该成果刊登在美国《科学》杂志上,引起业界很大的反响,并于2010年《科学》杂志评为过去十年人类最重大的十大科技突破之一。随着研究的不断深入,超材料技术突破性的进展在各界引起了广泛关注。
 
 
 
  超材料的基本构建
 
  超材料是一种对电磁波具有特殊响应的人造电磁材料。自然界的材料对电磁波的响应都是通过材料内部原子分子结构产生的,而超材料是我们人为设计、加工的人造微结构所组成。通过这些人造微结构,超材料可以替代原子分子结构对电磁波产生响应。由于超材料内部结构的可设计性,超材料可以实现超越自然界材料的电磁功能。
 
  超材料电磁调制原理—— 任意调制电磁波的传播
 
  通过超材料对电磁波的响应,我们可以利用超材料任意控制电磁波传播的方式:超材料可以超越自然界,让电磁波往法线同一侧折射,这种材料叫负折射率超材料;可以让穿过它的电磁波发生极化的旋转;可以让远方传来的电磁波信号汇聚到一点;甚至可以实现科幻电影中的“隐身衣”,让电磁波像流水一样绕过物体,实现隐身功能。因此我们可以设计和制造在空间增益、波束偏折、极化旋转、吸收、透明等各方面的高性能超材料器件。总之,超材料技术的核心关键就是对电磁波传播的人为设计、任意控制。
 
 
 
 
  国外超材料备受关注
 
  在国外,超材料是国际上重点关注的战略前沿技术,曾被美国《科学》杂志评价为过去十年人类最重大的十项科技突破之一,美国国防部更是将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一。超材料技术还被美国的DARPA列为强力推进的增长领域。国外的n-tech Research研究预测,在2020年到2025年,超材料领域的投资年复合增长率会达到56%。美国的STTR和SBIR支持的100余家科技创新企业中有60余家是做超材料相关应用研究的。
 
  美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划,美国最大的6家半导体公司——英特尔、AMD和IBM等成立了联合基金资助研究。国外在积极进行超材料产业化研究的还包括波音航天航空公司(美国)、丰田汽车公司(日本)、LG电子公司(韩国)、雷声导弹公司(美国)、洛克希德•马丁公司(美国)、波音公司(美国)、BAE系统公司(英国)、三菱集团(日本)等机构。
 
 
 
  国际超材料应用领域
 
  美国军方共支持了超过100家企业、签订了超过60个合同进行超材料应用研究,应用领域涉及雷达罩、导弹天线罩、舰艇吸波材料、大面积吸波材料制备技术、电子干扰箔条、电子战雷达、无人机雷达、超材料通信天线、机载天线和声学隐身技术等。公开资料显示,美国在超材料领域投入的预研经费逐年递增,截止到2016年,已累积投入超过50亿美元。由于公开资料并未包括上述成熟度较高的现役或在研型号项目,因此美国实际投入的超材料研究经费很可能远超这一数字。
 
  美国海军资助的E-2预警机大型雷达罩用超材料项目,雷达罩支撑肋会引起雷达方向图畸变,采用集成超材料结构的支撑肋可改善这一现象。E-2“鹰眼”预警机使用超材料结构实现了承载结构和透波功能的一体化设计。
 
  美国海军资助的舰上大型电磁超材料应用项目,包含了设计、仿真和制作大规模超材料复合结构,用于美军海军舰船。这一技术的特点包括含有人工设计的电磁特性超材料微结构,针对复杂的电磁环境提出了新颖的解决方案。
 
 
  英国BAE系统公司与伦敦大学合作开发超材料平面天线透镜,使无人机的侧翼表面不光透波,还能聚波。
 
  雷声公司与密歇根大学基于超材料研制了宽带、多频段和大扫描角度共形雷达(微带)复合表面控制反射率小型化双频GPS天线。洛•马公司基于倍频-宽带低损耗频超材料研究了宽频、低损、混合模式天线,利用异型硬质超材料实现多波束反射角,开发了混合模式的软、硬喇叭天线。
 
 
  声学超材料通过材料和结构设计,引导声波/弹性波按照预设方式传播, 可实现减震降噪、能量收集、声波/弹性波隐身,将其用于潜艇表面,可避免声波反射回声纳,实现声波隐身。2008年起,美国罗格斯大学诺里斯教授从弹性力学的角度出发,全面阐述了一种新的声隐身超材料—“金属水”,它是一种特殊的“五模材料”,具有声映射负折射率,对声波几乎不发生散射,能通过改变声波的传播路径而实现物体的声隐身,就像水流绕过障碍物继续向前。2012年在美国海军的资助下,诺里斯教授和韦德林格公司共同开发了“金属水”水下声隐身技术,并在2014年开展原理样机的设计和开发,计划与“弗吉尼亚”号核潜艇的主要承包商(如诺•格公司、洛•马公司等)开展实际应用上的合作。
 
 超材料作为当今最热门的颠覆性技术,得到了美国、俄罗斯、北约、日本等众多发达国家、组织重点关注和投入,同时也受到洛克希德•马丁公司、波音公司、雷神公司、BAE等军工企业长期支持。
 


 
  国内超材料的发展与应用
 
  当前,超材料作为一项具有颠覆式创新的多技术交叉学科,得到了国家大力支持。在国务院《中国制造2025》、《“十三五”国家科技创新规划》,发改委《国家“十三五”规划重大工程项目》,工信部、发改委、科技部、财政部《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》等国家政策方面对超材料发展进行了科学规划,在863计划、973计划、国家自然科学基金等科技计划中予以立项支持。
 
  以深圳光启为代表的科研团队在超材料领域内开展了具有一定影响力和有特色的研究和应用工作。深圳光启由留美归国的科研人员创办,专注于超材料的研发及产业化,凭借其在超材料基础领域的技术积累和大规模数据计算能力,在超材料核心技术研发中屡创新高:
 
  2010年7月,研发制成并测试包含有60万个人工微结构的超材料“电磁魔方”,比2009年他们在《科学》杂志上发表的6000个微结构的复杂度提高了100倍,实现波束的空间调制,还能实现线极化波和圆极化波间的相互转化。此成果还创造了同时期超材料领域的全球之最,也证明了这种新技术的可行性和有效性,基于此,光启开发出含有数十万微结构的可在Ku频段将电磁波聚焦的样品。2011年3月,光启成功开发了包含有1000万个人工微结构的功能性超材料。同时,光启则率先推动超材料技术的产业化,实现对超材料源头创新产业诞生和发展的有效探索。
 






 
  基于过去对超材料科学的研究探索,光启在超材料基础设计、关键器件和产品应用等领域已取得重要技术突破和优势,建立了超材料超级计算设计、超材料关键工艺制备和超材料先进测试的技术系统,具备了设计制备上亿种复杂微结构超材料的能力,使超材料技术真正进入了工业化的轨道。光启已研发和制造出许多高性能超材料器件和产品,包括超材料电磁罩、超材料超级阵列、业界高性能超材料口径天线、体积小的基站射频滤波器、超材料多制式兼容天线等等。在国防高端装备领域,光启已承接百余项相关难题的攻关,其中涉及多项重点型号装备,成功研制并交付了超材料隐身结构件、多功能复杂曲面超材料电磁罩、超材料共形天线等多项具有革命性意义的超材料产品,形成了超材料隐身结构件、超材料电磁罩、超材料天线及优化组件三大产品体系。相关科研成果在招标对比测试中,均以优异成绩胜出,体现出了跨代技术的领先优势。光启在近期举办的珠海航展中也展示了包括超材料隐身格栅、超材料隐身卫星通信天线、超材料隐身进气腔体、超材料隐身机翼结构、超材料高性能天线罩、超材料红外隐身等超材料隐身系列产品。该系列产品所展出的跨代隐身技术具有五大优势:
 
  (1)超材料隐身结构件从根本上提升了高端装备的隐身性能,实现了传统涂料无法解决的全频段涵盖低频到红外,隐身性能相比涂料提升1~2个数量级;
  (2)超材料隐身结构件从根本上解决了传统涂料隐身无法维护的问题;
  (3)超材料隐身共形天线从根本上解决了“矛”与“盾”矛盾的问题,实现“隐身”、“探测(天线)”、“结构承载”一体化的难题;
  (4)超材料隐身结构全寿命周期使用成本降低40%;
  (5)超材料隐身结构件相较现有隐身结构减轻了50%的重量。
 
  未来,光启将持续推动高端装备业务的发展,打造以超材料技术为核心的、完整的高端装备产品体系,以满足我国国家安全战略及现代化建设的需要。同时,光启建设了超材料电磁调制技术国家重点实验室并已通过验收;设立了专注于超材料研发与产业化的企业博士后工作站,并独立招收。由光启领衔,包含检测监管机构、十余家科研院所及相关产业的企业共同起草了全球第一份超材料领域的国家标准——《电磁超材料术语》,打破了欧美对前沿科技的技术和标准垄断,该标准于2015年9月发布,于2016年10月1日起实施。截止目前,光启的专利申请总量超过3800件,专利授权量2100多件,申请量占该领域专利总量的86%。
 
 
  超材料未来发展趋势
 
  超材料作为一种新兴的材料逆向设计技术,不仅仅在军事领域展现广阔的应用前景,而且其应用领域逐渐拓展到民用航空、交通装备、通信、安防等领域。 当前,波音、雷声、丰田、LG电子等世界级跨国公司正着力推动超材料技术的产业化进程,积极抢占超材料市场份额,主要的研究方向集中在:
  1.新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关模拟仿真方法;
  2.器件的制造:由于亚波长特征尺寸的限制,在光频波段进行器件制作需要高技术水平;
  3.相互作用的研究:由于超材料的大多数性质都与表面/界面波有关,进一步探索这种近场波与自由空间电磁波的耦合,以及其材料内部的传播性质,需要不断更新理论概念、分析方法和实验测量技术等方面。
  未来超材料技术将向更宽频谱(太赫兹、红外)、数字化、智能化(AI)等方向发展,主要集中在以下三个领域:
  1.智能结构材料集成器件:如自诊断、自修复智能材料,传感器蒙皮材料,纳米波导,超衍射极限高分辨成像透镜等;
  2.军用隐身材料:如雷达波/红外一体化隐身材料,自适应可控隐身材料、声学&热学超材料隐身技术、超材料多物理场兼容隐身技术等;
  3.通信遥感系统:如可重构宽带综合射频天线,结构共形传感器蒙皮等。
 
 
 
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