超材料：应用、发展及未来方向！

超材料（Metamaterial）是一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过设计可以表现出负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应等超常物理特性，其一系列奇异特性不主要取决于构成材料的本征属性，而决定于超材料单元结构的图案形状、尺寸、排列方式以及介质层的电磁参数等因素。

超材料是“材料”又不是“材料”,说其是“材料”是因为其结构组成材料是现实存在的，说其不是“材料”是因为其通过微结构的设计实现了目前自然界现有材料所不具备的物理特性。

近年来超材料在微波段及太赫兹频段的各种应用，如完美透镜、完美吸收、介质天线、极化控制、隐身斗篷等方面备受关注。其中，超材料吸波特性研究是研究热点之一。

超材料可以克服传统吸波材料低频段工作瓶颈，还可以通过设计实现体积小、厚度薄、质量轻的结构特点，在隐身技术领域具有极大的潜在应用价值。

目前，国内外已有很多关于超材料隐身技术的研究工作。以下将概述性地介绍几种主流的超材料隐身技术的研究现状，包括变换光学隐身技术、等离激元隐身技术、覆罩式隐身技术等。

1. 基于变换光学的超材料隐身技术

由于电磁波不能够进入这个物理空间，因此这个物理空间内放置的任意目标物体都将处于电磁屏蔽的状态，外部电磁探测器无法对该区域内的物体进行识别，从而实现完美隐身。

超材料对本构参数的强大调控能力，为这种变换光学隐身衣实验的实现提供了可能性。 

2. 等离激元隐身衣

构建这类隐身衣采用的是均匀且各向同性的材料，这与变换光学隐身衣对材料性能和加工工艺的严苛要求形成了鲜明对比。因此，这类隐身衣的物理实现和实验验证难度大幅度降低。在实验上，这类隐身衣可以通过设计等离激元超构材料或超薄共形超构表面进行实现。

3. 覆罩式隐身衣

覆罩式隐身衣（Mantle Cloak）也是通过抵消目标散射场的主要散射项来抑制总散射场。不同之处在于，覆罩式隐身衣采用的不是能够感应出反相偶极矩的等离子体球体外壳，而是一层超薄的阻抗表面。通过合理设计这层阻抗表面的平均表面阻抗，该阻抗表面被激励起的表面感应电流能够产生与目标相反的散射场，从而实现散射相消。

近10年来，超材料研究之所以能引起全世界的高度关注，源自于超材料所体现的材料设计思想的重大创新，以及这一创新将产生的重大效益。首先，通过材料结构的创新设计，实现全新的物理现象，产生具有重大军用、民用价值的新技术、新材料，促进甚至引领新兴产业发展；然后利用超材料设计思想，提升传统材料性能，突破稀缺资源瓶颈，实现传统材料产业的技术升级和结构调整。

电磁超材料实现，使我们继利用半导体自由调控电子传输之后，首次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、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。

隐身衣是一种以开口谐振环为单元结构、非均匀方式排列成圆环结构的超材料，其应用大家不言自明。

“电磁黑洞”是一种能够全向捕捉电磁波的电磁超材料，能引导电磁波在壳层内螺旋式地行进，直至被有耗内核完全吸收，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，因而在飞机、导弹、舰船、卫星等方面获得广泛的应用。

慢波结构是一种能使电磁波减速甚至停止的电磁超材料，不仅可应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术，还可应用于光缓存和深亚波长光波导，极大增强非线性效应，促进光电技术的发展。

超材料透镜是一种可实现高定向性辐射的电磁超材料，可用于制造先进的透镜天线、新型龙伯透镜、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等。

此外，如将超材料设计思想应用于常规材料，可在显著提高材料综合性能的同时，大幅度减少稀缺元素用量，为提升传统材料产业提供了新的技术途径。例如，常规软磁与硬磁材料按特定的空间排布方式复合、普通碳钢与高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空间排布方式复合，可在不使用钕、铬、镍等稀缺金属的情况下，使磁性材料的磁能级成倍提高，而耐磨钢的耐磨性与强韧性矛盾得到很好解决。

我国政府对超材料技术予以了高度关注，分别在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。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料，以及声波负折射等基础研究方面，已取得原创性成果。超材料研究在国内非常活跃，呈现出百花齐放的局面，所涵盖领域包括电磁超材料、红外/THz超材料、光学超材料、声学超材料、力学超材料、光学超材料、热学超材料等领域。

浙江大学在光波和超低频超材料领域取得了一系列有影响的成果，发展出了基于慢波来设计超薄、宽吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隐身、磁共振成像和静磁场增强方面的应用。

东南大学研究了均匀和非均匀超材料对电磁波的调控作用，提出了电磁黑洞和新型超材料隐身器件，发展出了雷达幻觉器件、远场超分辨率成像透镜、新型天线罩、极化转换器等新型超材料器件。

清华大学研究介质基和本征型超材料，提出了通过超材料与自然材料融合构造新型功能材料思想，发展出了基于铁磁共振、极性晶格共振、稀土离子电磁偶极跃迁以及Mie谐振的超常电磁介质超材料。

深圳光启研究院则在国际上率先推进了超材料产业化，研发出超材料平板式卫星天线，在22个省市进行了测试，并在北京、天津等地得到了实际应用。

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。笔者认为，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。

近些年来已有大量关于超材料吸波体的研究，通过设计成不同的结构形式，实现了低频化、宽频带、强吸收、大角度、极化不敏感、智能可调等优异的性能，使吸波材料设计实现了巨大的飞跃。

其所具有的优良的吸波特性和巨大的应用价值使其在雷达天线、隐身、电子对抗等许多装备技术领域均拥有巨大的发展空间和应用潜力，其前景广阔并且影响深远，可大大提高武器装备系统及作战平台的生存能力，进一步推动武器装备的发展。