技术分析报告
名称: 超材料
姓名: 宁国勋
时间：2016年7月12日
一、概述
目前，超材料这一新生领域还没有明确的定义，但是一般都理解为通过物理尺寸上有序结构设计，具有天然材料所不具备的超常物理性质人工复合结构或复合材料，如使波“绕过”材料表面实现声学隐身、光学隐身以及电磁波隐身等，其关键是设计，包括设计某种亚波长级别的微结构单元以及这些单元的排列规则，最终决定其物理特性（如介电常数、磁导率、体弹性模量和质量密度等）的不是原材料本身的原子、分子或相互之间的作用，而是这些可与波相互作用的微结构单元，以及这些单元按一定规则排列形成的相互作用关系。
超材料技术在雷达、电子对抗等诸多装备技术领域已经展示了巨大的应用潜力和发展空间，其在隐身领域的研究也显示具备战略性重大突破的可能。美国、日本、英国等都已制定国家层面的超材料发展计划，已开发出隐身蒙皮、可见光隐身衣等隐身产品。由此可见，充分利用超材料的设计思想可提升传统材料的性能，实现传统材料产业的技术升级和结构调整，甚至可对一个行业产生颠覆性的效果。
我国高度重视超材料技术的发展，也曾在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。深圳光启高等理工研究院经过六年的发展，凭借在超材料领域的优势，参与了多个重点项目，成为军民融合发展的典范，在我国超材料学术和产业化领域的领军地位和标杆作用已得到广泛认可。超材料电磁调制技术国家重点实验室和全国电磁超材料技术及制品标准化技术委员会秘书处都设在光启，光启领衔制定的全球第一份超材料领域的国家标准《电磁超材料术语》将于2016年10月1日起实施。
二、技术分析及案例
1、杜克大学用“声学斗篷”使物体在特定频率声波下 “透明”
在2007年和2008年卡默尔教授就从声学散射的角度出发分别论证了二维和三维“声学斗篷”制备的可行性，指出它能通过引导声波绕过斗篷下的物体传播，而使该物体在声波下“透明”。尽管理论研究有较快进展，但声学斗篷对声学结构设计和加工要求极为苛刻，实验验证方面进展较缓慢。最早在实验室演示并验证“声学斗篷”的是美国伊利诺伊大学的教授尼古拉斯•方。2011年，他制备的二维“声学斗篷”能使水下物体在超声波波段（40kHz-80kHz）面前“遁形”。同年，卡默尔教授的团队也开发出一种由一些带孔的塑料板堆积成的二维的“声学斗篷”，它能使250px长的木块不被声波（1KHz-4KHz）探测到。2013年杜克大学的卡默尔教授获得了美国海军一份为期五年的项目合同，旨在制备能够产生、接收及控制声波的设备。今年发明的三维“声学斗篷”就是该项目资助的成果。该斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成，在频率为3kHz的声波下进行测试，表现出完美的隐身效果。2014年3月，美国杜克大学制造出世界上首个三维“声学斗篷”，它是一种声隐身装置，能使声波沿斗篷表面传播，不反射也不透射，从而避免回波，实现对声波隐身。“声学斗篷”是美国海军资助超材料项目的突破性成果，一旦工程化应用将彻底颠覆主动声纳探测定位的有效性，改变水下战场的游戏规则。
2、罗格斯大学提出了以 “五模材料”的核心的声隐身实现方式，开启了声隐身的另一种思路
2008年，诺里斯教授从弹性力学的角度出发，论证了利用“五模材料”实现声隐身的可行性。经过2-3年的深入研究，诺里斯教授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”，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。目前已经开始生产样品，并在海军研究实验室进行水下测试。2012年在美国海军资助下，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，通过在水下装备的外部添加含声学超材料的覆层，对声波进行引导而使目标在主动声纳的探测下隐身。该技术将引起水下装备隐身领域的变革，并最终改变水下战场的作战方式。该技术中的软件技术已完成模拟环境下对分系统的验证，材料技术完成了实验室环境下对部件的验证，整体概念中的关键概念通过了实验验证。
3、中国研究者们制造除了了一种可调谐，密度接近于零的薄膜超材料，能够有效地重建声波的量子隧穿效应 他们的最终产品，如在本周发表在美国物理联合会出版的《应用物理杂志》中的论文所述，是一种有效密度接近于零（DNZ）的声学“超材料”。这项工作可能会赋予传输网络一些人们梦寐以求的性质，如实现尖锐拐角的高传输，高效的切波分裂和声波隐形。
他们已经使用这种膜网制造出了一个平面双曲透镜，这是一种补偿通过透镜所丢失的携带图像精细细节的声波的装置。它可以为科学家们呈现物体的精细细节，如肿瘤，或者飞机机翼在工业检测中的微小缺陷等，这些细节在以往的仪器中由于衍射极限的限制是被无法观察到的。其他的应用还包括智能声学结构，如逻辑门，它可以通过改变声波传播的方向操控声波，可应用于传统电子器件和光子结构不适用的极端环境中的通信系统。
4、欧美发达国家，如美国、欧盟、日本等，都专门启动了关于超材料天线的研究计划，组织了众多相关领域顶尖科学家，并给予高额的研究经费支持
Echodyne，一家位于西雅图高科技公司，由微软创始人比尔·盖茨和保罗·艾伦共同出资成立，致力于开发新型高性能雷达，可被应用于自动驾驶汽车等。此项技术允许车辆在一定条件下完成独立操作，实现自动驾驶。
Lamda Guard Inc是一家位于加拿大的科技创新公司，主要致力于透明光学薄膜的制备，但这一薄膜与众不同的地方在于使用了超材料作为组成元素，可屏蔽特殊颜色和波长的光线。该薄膜已成功应用于视觉玻璃和透明塑料制品表面，如眼镜、护目镜和挡风玻璃等。
Evolv Technologies是一家位于波士顿的超材料公司，为Intellectual Ventures剥离出来三家公司之一，另外两家分别是Kymate和Echodyne。EvolvTechnologies的超材料产品主要是面向高端用户的下一代毫米波安全成像系统，例如机场安检扫描系统等。
三、应用领域
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、通信等。
1、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。
2、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。
3、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。
四、结语 超材料是一个新兴产业，它对现代社会的影响已经超乎人们的想象，它有效打破了传统材料设计思想的局限性，提高了材料综合性能。多个国家都投入巨资用于超材料的研发和应用。超材料在未来所产生的具有变革性影响，将会使各国在其所投入的领域占得先机。
