超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域，将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

    新型材料颠覆传统理论

    尽管超材料的概念出现在2000年前后，但其源头可以追溯到更早。1967年，苏联科学家维克托·韦谢拉戈提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界，使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现出有违常理的行为，例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出，就被科学界认为是“天方夜谭”。

    随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露，显著提高材料综合性能的难度越来越大，材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高，发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路，成为新材料研发的重要任务。2000年，首个关于负折射率材料的报告问世；2001年，美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料；2002年，美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负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围内取得了多项研究成果，被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后，超材料研究在世界范围内取得了多项成果，维克托·韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。

    现有的超材料主要包括：负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比，超材料主要有3个特征：

    一是具有新奇人工结构；

    二是具有超常规的物理性质；

    三是采用逆向设计思路，能“按需定制”。

    负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性，电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负折射率螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。负折射率材料的实现使人类具备了自由调控电磁波的能力，这对未来的新一代通信、光电子/微电子以及隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用等技术将产生深远的影响。

    光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构，可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性，被认为是未来的半导体，对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域将产生重大影响。

    部分超材料示例

    “电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞，能够全向捕捉电磁波，引导电磁波螺旋式行进，直至被黑洞吸收，使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现，不仅将为太阳能利用技术增加新的途径，产生全新的光热太阳能电池，还能应用于红外热成像技术，大幅度提高红外信号探测能力。

    频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其可对不同频段的入射电磁波进行有选择性的发射或传输，已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中，也可用于反射面天线的负反射器，以实现频率复用 ，提高天线的利用率。

    巨大价值引发全球关注

    超材料研究的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出的革命性应用前景，使其得到了美国、欧洲、俄罗斯、日本等国政府，以及波音、雷神等机构的强力关注，现在已是国际上最热门、最受瞩目的前沿高技术之一。2010年，美国《科学》杂志将超材料列为21世纪前10年自然科学领域的10项重大突破之一。当前，国外的研究领域己涉及超材料基本原理和特性、超材料实验验证、超材料设计、超材料加工制造和超材料的应用。

    美国国防部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划；美国空军科学研究办公室把超材料列入“十大关键领域”；美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域顶尖的科学家聚焦这一领域的研究，并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划，至少支持两个关于超材料技术的研究项目，每个项目约为30亿日元（约合1.5亿人民币），同时将超材料列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。

    在多个项目的支持下，超材料技术取得了一系列新进展。例如，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室与加利福尼亚大学合作完成了负折射率材料太赫兹频率特性的研究探索；美国加利福尼亚大学完成了利用负折射率材料精确控制光线速度和方向的研究；美国普渡大学和诺福克州立大学合作完成了负折射率材料对光线吸收的研究；2013年以来，美国陆军和普渡大学研究了在特定的电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身材料；美国劳伦斯·伯克利国家实验室的研究团队制造出了全球首个非线性零折射率超材料，通过这种材料的光在各个方向都会得到增强；2014年，法国国家科学研究中心和法国波尔高等化学物理学院的研究人员通过结合物理化学组成和微流体技术，研发出了第一个三维超材料。

    使用超材料的隐身衣

    在超材料应用方面，有关国家和机构近年来启动了多项研究计划。如DARPA实施的负折射率材料研究计划；美国杜克大学开展的高增益天线超材料透镜研究，以及可升级和可重构的超材料研究等。此外，还有近百家美国企业获得小企业创新计划和企业技术转移资助计划资助，对超材料技术进行了大量研究和产品转化。目前，超材料领域已初步形成的产品包括超材料智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、通信天线、无人机载雷达等。

    神奇功能改变未来作战

    超材料因其独特的物理性能而一直备受人们的青睐，在军事领域具有重大的应用前景。近年来，超材料在隐身、电子对抗、雷达等领域的应用成果不断涌现，展现出巨大应用潜力和发展空间。

    隐身是近年来出镜率最高的超材料应用，也是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向，如美国的F-35战斗机与DDG1000大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。未来，超材料在电磁隐身、光隐身和声隐身等方面具有巨大应用潜力，在各类飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用，使军事隐身技术发生革命性变革。超材料实现隐身与传统隐身技术的区别是，超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过被隐藏的物体，在技术上实现真正意义上的隐身。

    在电磁隐身方面，2006年，美国杜克大学与英国帝国学院合作提出了一种微波频段的电磁隐身设计方案，这种设计方案由10个同心圆筒组成，采用矩形开口环谐振器单元结构，实验结果证实负折射率材料用于物体的隐身是可行的。2012年，美国东北大学采用掺杂钪的M型钡铁氧薄片和铜线组合，设计和试验了可在33～44吉赫兹电磁波段实现可调的负折射率材料。美国雷神公司开发了“透波率可控人工复合蒙皮材料”，该材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面，通过控制加载在可变电容上的偏置电压，可以改变频率选择表面的电磁参数，从而实现材料透波特性的人工控制，可应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮。

    在光学隐身方面，2012年，加拿大超隐形生物公司发明了一种名为“量子隐身”的神奇材料。它能使周围光线折射而发生弯曲，从而使其覆盖的物体或人完全隐身，不仅能 “骗” 过人的肉眼，在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功隐身。这种材料不仅能帮助特种部队在白天完成突袭行动，而且有望在下一代隐形战机、舰艇和坦克上应用。2014年，美国佛罗里达大学的研究团队研制出一种可实现可见光隐身的超材料，实现这一技术突破的关键是利用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料。纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射率，使光从其周围绕过而实现隐身。

    在声隐身方面，2011年，美国杜克大学卡默尔教授的团队开发出一种二维声学斗篷，能使10厘米大小的木块不被声波探测到。2014年3月，杜克大学制造出世界上首个三维声学斗篷，它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置，能使入射声波沿斗篷表面传播，不反射也不透射，实现对探测声波的隐身。三维声学斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成，能在3千赫兹的声波下表现出完美的隐身效果，验证了声学斗篷应用于主动声呐对抗的可行性。此外，美海军自主开发一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术，制造一种六角形晶胞结构的铝材料，并将其纳入潜艇艇壳外覆盖的静音材料内，实现对声波引导，达到隐身目的。声隐身超材料技术的发展将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响，有可能改变未来水下战场的“游戏”规则。

    除了传统意义上的隐身，最近超材料在触觉隐形上也有了新的突破。2014年，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用机械超材料制成触觉隐形斗篷。这是一种全新的隐身技术，可以欺骗人体和探测设备的传感器。这种触觉隐形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊设计的次微米精度的晶体结构。晶体由针尖相接触的针状锥组成，接触点的大小需精确计算，以满足所需的机械性能。利用这种超材料制造的隐形斗篷可以屏蔽仪器或人体的触觉，如用隐形斗篷覆盖住放在桌面上的一个突出物体，虽然可见突出物，但用手抚摸时无法感到物体突出，就像抚摸平整的桌面一样。该技术虽然还在纯粹的基础物理研究阶段，但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。

    天线与天线罩是超材料的另一个用武之地。国外众多实验表明，将超材料应用到导弹、雷达、航天器等天线上，可以大大降低天线能耗，提高天线增益，拓展天线工作的带宽，有效增强天线的聚焦性和方向性。

    天线方面，雷神公司研发了超材料双频段小型化GPS天线，通过精确的人工微结构设计，可提升天线单元间的隔离度，减少天线原件之间的电磁耦合，从而使天线的带宽得到大幅拓展，其可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。2011年2月，洛克希德·马丁公司与宾夕法尼亚大学联合开发了一种新型电磁超材料，可用于在喇叭形卫星天线上，使产品体积更小，制造成本更低，并能够显著提高航天器天线的性能。2014年，英国BAE系统公司开发出一种可用于无人机通信的超材料平面天线，可使电磁波在透过平面天线后进行聚焦，在实现对电磁波聚焦的同时保留了平面天线的宽带性能，克服了传统抛物面天线变为平面天线所带来的带宽损失、低增益等问题，同时可实现一个天线替换多个天线，减少天线的数量。这一技术突破可能使飞机、舰艇、卫星等天线的设计产生划时代的变革。

    雷达天线罩方面，在美国海军的支持下，美国公司成功研发出雷达罩用超材料智能结构，并应用于美军新一代的E2“鹰眼”预警机，大幅提高了其雷达探测能力。通过采用超材料的特殊设计，该项目提供了解决传统雷达罩图像畸变的问题，同时这种超材料电磁结构质量轻，方便后期的改装和维护，极大提高了E2“鹰眼”预警机的整体性能。

    导弹天线罩方面，美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩，可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射，有效提高导弹打击精度。

    用于制作光学透镜的超材料，可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域；高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域；高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012年，美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究，可用于观察尺寸小于100纳米的物体，且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。

    结 语

    超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上，最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料，一代装备”，创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇？不禁令人无限地遐想和期待。

    延伸阅读

    超材料发展到何种程度？还能走多远？

    超材料主要有三个特征：

    1. 通常具有新奇人工结构的符合材料

    2. 具有目前所有自然界材料都不具备的性质

    3. 超材料的性质往往取决于其中的人工结构。

    超材料超常的物理性质和可以人工制备这两大特性已让它应用于当今社会的各大领域：汽车、军事、能源、通信、智能结构等。

    汽车

    现如今汽车产业正朝着智能化方向飞速发展，通过在普通的汽车上装备上先进的传感器（雷达、摄像）、控制器、执行器等装置，就可以通过车载传感系统和信息终端实现人、车、路的信息交换，使汽车能够感知外界环境，自动分析汽车行驶的安全及危险状态，安全到达指定地点，达到最终可以替代人的目的。在这个思想的指导下，“智能蒙皮”应运而生，通过集成多个种类和数量的传感器配合相机，可以同时显示多辆车的速度、距离、角度等信息，有效地监控道路车辆状况。这种超材料技术可以显著地改善交通拥堵状况和减少交通事故的发生，是超材料成功的产业应用之一。

    军事

    许多国家在军事方面投入巨大的人力物力财力，积极研发新技术应用于军事武器，研发出可以隐身的超材料运用于战斗机的制造，美国F-22猛禽战斗机、美国F-35“闪电Ⅱ”、俄罗斯PAKFAT-50战斗机、日本ATD-X“心神”战斗机等就是超材料运用于战斗机的成功案例，这些战斗机早已经在战场上威名远扬，立下赫赫战功。另外，机载的智能蒙皮天线运用超材料技术对人造“原子”进行组合设计，可逆向实现材料对电磁场的任意响应。采用超材料智能蒙皮技术，能有效地缩减天线的尺寸，实现宽频天线的共形设计，还可通过采用低成本的轻质新型超材料，极大地提高飞机的雷达天线、隐身和气动外形性能。

    能源

    “电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞，能够全向捕捉电磁波，引导电磁波螺旋式行进，直至被黑洞吸收，解决了基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题。通过这个现象，可以研发出新的超材料为太阳能利用技术增加新的途径，产生全新的光热太阳能电池，还能应用于红外热成像技术，大幅度提高红外信号探测能力。

    通信

    电磁超材料最具应用前景的就是无线 Wi-fi网络，目前光启已进入该领域。

    智能结构

    在这个领域中应用主要有两类，地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。据调研公司ABI Research预测，可穿戴式超材料智能结构细分领域市场规模在2010~2020年间将以高达41%的年复合增长率发展， 到2020年该类材料市场规模将达到8.77亿美元。

    超材料物理原理

    自然界材料由原子电子的规律排布组成，具有固定的电磁参数，不可人为改变。

    超材料是一种由材料组成的“材料”。其中，介于宏观与微观之间的介观微结构是超材料的基本组成单元。超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性，包括：

    1.可设计电磁参数

    2.电磁参数任意可调

    3.可设计的非均匀分布

    4.可设计的各向异性响应

    超材料技术是一种材料逆向设计技术。

    超材料电磁调制原理

    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。

    超材料产业化概况

    在超材料技术产业化方面，国外在积极进行超材料产业化研究的公司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）、雷神导弹公司（美国）等；国内的深圳光启高等理工研究院（简称“深圳光启研究院”）在超材料产业化方面取得了一定成果，在推进超材料产业化方面走在世界前列，该研究院的超材料平板式卫星天线已经在个别地区得到了应用。

    通过分析全球重点研究机构超材料研究的最新动态，可以及时了解超材料研究的发展方向及新兴市场。因而，通过对全球重点研究机构的部分超材料研究进行的解读，可以看出，超材料制造、激光器和光子晶体谐振器是研究机构和企业比较关注的应用研究领域。

    此外，佳能株式会社还关注将超材料用于微结构制造和发光器件的研究；日本电报电话公司还关注将其用于天线装置和光谐振器的研究；深圳光启研究院还关注将其用于封装夹具、集热器等方面的研究；三星电子还关注将其用于射频识别系统、光纤等的研究；中国科学院还关注将其用于可集成量子行走器件等的研究；京都大学还关注将其用于光电转换元件和太阳能电池等的研究；麻省理工学院还致力于将超材料用于陀螺仪和光纤波导等领域的研究。近2年，韩国、德国、法国和俄罗斯的超材料领域研究也快速发展，世界超材料领域研究竞争更加激烈。

    发展前景

    超材料将有可能成为一种前途不可限量的新型材料，但是目前距离真正大规模的产业化还有一定距离，有许多的难题有待克服，这也将成为未来超材料研究的主流方向，并可能出现因技术的进一步突破取得更多成果的领域。未来，超材料的研发要注重以下一些方向：

    ①对超材料的工作频段和方向控制的研究。从工作频段来说，超材料的频段还只能达到红外层次，同时大多数负折射率材料仅能在某些角度上实现负折射现象。对于实现更好隐身功能需要来说，其工作波段最少应覆盖整个可见光波段，同时也需要实现具有各向同性的特性，即从更宽的光波波段和不同方向上实现对光的控制。这将是未来超材料发展的重要课题。

    ②超材料的产业化发展。超材料技术目前还处于实验室到产品中试阶段，如果要进行更大规模的产业化，还需要研究大规模制造大体积超材料的方法。目前实验室仅掌握在平面上的超材料的制造工艺，具有三维空间的立体超材料还未实现。同时表面工艺也仅仅局限在很小的面积上，这距大规模地使用还有很长的距离。如何实现大规模地制造超材料是实现超材料广泛使用的重要前提。

    ③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。

    ④不同超材料之间相互作用的研究。这一方向的研究主要包括对超材料进场波与超材料自由空间电磁波的耦合研究，以及对超材料内部的传播性质的研究。而对其规律性的研究又不断提出新的理论、技术、方法的需求，从而推动与此相关的新理论概念、分析方法和实验测量技术的发展。

    我国超材料产业发展存在哪些问题？

    1、超材料设计能力有待进一步提升

    为湃足对大量超材料微结构的精确仿真和计算，需要不断优化运算模型，并进一步提高超算中心的运算能力。目前，我国在电磁器件仿真实验、实验设计、统计优化方面与发达国家存在一定差距。如在大规模复杂电磁结构数值分析和仿真实验方面，国外已普遍利用统计建模和优化方法来实现电磁器件的设计和优化，并可根据实际清况对现有方法进行修止和改进，而我国超材料设计方法仍存在计算效率低、寻优算法收敛难等问题。

    2、制备加工枝术难以满足超材料产业化需求

    受制于制备工艺和设备不完善，现阶段我国大部分超材料样品是在“作坊式”的环境下制作出来的，部分复杂结构的超材料器件仍需通过手工完成。由此带来的制备效率低、制备成本高‘精细加工能力弱、可重复性差等问题成为制约超材料大规棋产业化的主要瓶须。如在微结构共形加工方面，日前尚难以实现复杂形面三维结构的加工，一般只能通过多块超材料拼接完成加工难度大，精度难以满足设计要求。而在大幅面超材料微结构制备方面，超材料所要求的线路公差控制要求较高，达标设备供应商数最有限，货源不稳定。

    3、高端测试设备面临禁运

    酉方发达国家长期对我封锁超精密测试技术和仪器设备，导致我国在超材料的无损检测领城内缺乏有效工具，准以实时监控超材料加工质量和精度。日前，研究人员大多依赖有损检测及应用效果证实材料的有效性，导致超材料器件制备效率低、制备质量差、研制周期长，浪费了大最人力物力和时间成本。

    4、超材料服役条件下的适应性和可靠性尚需研究

    目前，针对超材料性能的研究多在实验常条件下完成，而在服役条件下则缺乏相应的研究手段。探索超材料在服役条件下的性能演变规律和失效机理，进而改善超材料服役性能，确保使用可靠，将会进一步拓宽超材料的应用范围。

    5、商业模式亟待创新

    超材料应用前景广阔，但掌拥超材料设计方法和制备手段的单位数量较为有限。受困于成本囚素，目前超材料仅在军事国防、部分公共设施等少数领域得到应用并未在国民经济相关领域实现大规模推广。亟待通过商业模式创新，实现超材料在多个领城的大规模应用推广和市场拓展。

    我国超材料产业如何快速健康发展？

    1、建立标准，规范产业秩序

    标准化作为支撑科技创新配套链条的关健一环，将有利于推进超材料技术进步和成果固化，将为超材料产业的有序化、规范化、高速化发展提供技术支待，将为超材料产品的商业化、市场化提供保障，有利于引导资源的合理分配，规范超材 料在经贸领域的秩序，统筹超材料上、下游产业的发展导向，促进超材料市场特续健康发展，进而拉动新材料产亚领城经济。

    2、统筹规划，整合现有资源

    尽快建立超材料关谁共性技术研发和服务平台，鼓助企业、科研院所、关键用户开展深层次的合作研发。成立技术创新战略联盟，整合系统资源，为超材料产业发展提供技术服务，促进超材料技术科伎成果的转化应用，进而带动新材料、新一代信息技术、高端装备制造等战略性新兴产业的跨越式发展，发挥产业示范引领作用

    3、强化基础研究，完善创备能力

    现阶段超材料技术大规模应用的主要瓶颈来自于加工和测试设备的缺失，应进一步强化超材料技术的基础研究，完善基于超材料关健技术的产品设计、制备封装、性能测试、工艺开发等技术，突破国外技术封锁。

    4、积极推动，创新商业模式

    通过需求牵引，积极推动基于超材料技术的传统产品升级和产业化推广工作，优化制备工艺，降低生产成本，重点支持超材料技术在航空航天、卫星通信、无线互联等领域的应用示范和创新工程。

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责任编辑：王元

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