专家观点 超材料技术发展概览 深圳光启高等理工研究院王总朱文君唐玲 超对肉风本肤人地 的设计保证介电常数和 磁导率出现负值的频段 复杂的人造微结构设计与加工，实现人造“原子” 相同，首次将介申常数 过申磁场或者声纳的应核心，理论之一即为描述 和磁导奉同时表现出负 电磁波传播轨迹与超材料特性的变换光学。 超材 值的材料展现在人们 技术是一个前沿性交叉科技，所涉及的技术领域包 前，并在美国《科学》 括电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计体 杂志上发表了哈证大王 系、通信、半导体等。 材料存在的实验性文 超材料的特性可应用于功能性器件的开发，如 章。这种新型复合材料 ▲开口谐振环 纳米波导 特殊要求的波束引导元件 表面等离子 的人工实现，极大地丰宫了微波、电路 ,光学 体光子芯片，滤波器、耦合器、调制器和开关，亚 料学等领域，其表现出的新颖电磁响应特性立刻成 波长光学数据存储、新型光源、超衍射极限高分辨 为国际物理学界和电磁学界研究的热点。 成像、纳米光刻蚀术、生物传感器、探测器的应用 在一、二维左手材料相继实现后，Gav-Balma 及军用隐身材料等。 等人在SRR结构的基础上，买用且有平而冬向同州 目前，超材料主要集中于被动无源器件的实验 的单元结构设计出了如图(a)所示的结 成功 室研究，主动（有源）器件的实验室研究较少 备在2个方向上都可以表现出负磁导率的单负值超材 国内外超材料的研究进展 料。Koschny等人采用图(b)所示的微结构设计， 成功制备了实现各向同性的左手材料。 超材料最初被称为左手材料(LHM)或负折 材料(ND,是由前苏联理论物理学家 1968年最先提出的。他从Maxwell方程出发， 了电磁波在拥有负磁导率和负介电常数材料中传播 的情况，对电磁波在其中传输时表现出的电磁特性 讲行了阐述：电磁波在其中传播时，相速和群速的 方向相反，E、H、K三矢量之间呈现出左手螺旋法 (a) 与电磁波在传统材料中传播的情况正好相反 他定义该种材料为LHM,当时自然界观察不到这种 ▲(a)平面各向同性磁谐振结构单元 材料的存在，且存在不可利用性，Veslago所做的工 (】各向同性左手材料结构单元 作仅停留在理论假说上。 此后，随着研究的逐渐深入，众多突破性成 果不断涌现。1999年 英国帝国理工大学的oh Pendry教授采用由2个开口的薄铜环内外相套而成的 微结构胞元，设计出一种具有磁响应的周期结构， 即开口谐振环(Split Ring Resonator,SRR)结构. 2001年，美国加州大学的Shelby签人将组线与开C 铜环2种微结构单元组合在 起 并通过结构尺寸上 hcby等人制备的左手材 1994-2014 China academic lournal electronic publishing House 0121军代两用技术与产品|27
2012 7 军民两用技术与产品 27 专家观点 超材料技术发展概览 深圳光启高等理工研究院 王 总 朱文君 唐 玲 超材料是由周期性或非周期性人造微结构排 列而成的人工复合材料，核心思想是通过 复杂的人造微结构设计与加工，实现人造“原子” 对电磁场或者声纳的响应，核心理论之一即为描述 电磁波传播轨迹与超材料特性的变换光学。超材料 技术是一个前沿性交叉科技，所涉及的技术领域包 括电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计体 系、通信、半导体等。 超材料的特性可应用于功能性器件的开发，如 纳米波导、特殊要求的波束引导元件、表面等离子 体光子芯片，滤波器、耦合器、调制器和开关，亚 波长光学数据存储、新型光源、超衍射极限高分辨 成像、纳米光刻蚀术、生物传感器、探测器的应用 及军用隐身材料等。 目前，超材料主要集中于被动无源器件的实验 室研究，主动（有源）器件的实验室研究较少。 国内外超材料的研究进展 超材料最初被称为左手材料（LHM）或负折射 材料（NIM），是由前苏联理论物理学家Veselago在 1968年最先提出的。他从Maxwell方程出发，分析 了电磁波在拥有负磁导率和负介电常数材料中传播 的情况，对电磁波在其中传输时表现出的电磁特性 进行了阐述：电磁波在其中传播时，相速和群速的 方向相反，E、H、K三矢量之间呈现出左手螺旋法 则，与电磁波在传统材料中传播的情况正好相反， 他定义该种材料为LHM。当时自然界观察不到这种 材料的存在，且存在不可利用性，Veslago所做的工 作仅停留在理论假说上。 此后，随着研究的逐渐深入，众多突破性成 果不断涌现。1999年，英国帝国理工大学的John Pendry教授采用由2个开口的薄铜环内外相套而成的 微结构胞元，设计出一种具有磁响应的周期结构， 即开口谐振环（Split Ring Resonator，SRR）结构。 2001年，美国加州大学的Shelby 等人将铜线与开口 铜环2种微结构单元组合在一起，并通过结构尺寸上 的设计保证介电常数和 磁导率出现负值的频段 相同，首次将介电常数 和磁导率同时表现出负 值的材料展现在人们面 前，并在美国《科学》 杂志上发表了验证左手 材料存在的实验性文 章。这种新型复合材料 的人工实现，极大地丰富了微波、电路、光学、材 料学等领域，其表现出的新颖电磁响应特性立刻成 为国际物理学界和电磁学界研究的热点。 在一、二维左手材料相继实现后，Gay-Balmaz 等人在SRR结构的基础上，采用具有平面各向同性 的单元结构设计出了如图（a）所示的结构，成功制 备在2个方向上都可以表现出负磁导率的单负值超材 料。Koschny等人采用图（b）所示的微结构设计， 成功制备了实现各向同性的左手材料。 开口谐振环 Shelby等人制备的左手材料 （a）平面各向同性磁谐振结构单元 （b）各向同性左手材料结构单元
专家观点 2003 radio,millimeterwave,and photonic superlattice 年，美国波 ering)主要是由24个欧洲大学参与 开究新开 音公司 “幻第 目前该项目已经进入第二阶段。 工作室”的C 随着超材料技术不断创新，超材料的可设计复 Parazzoli.与加 杂度呈现指数型增长。从2001年的1种人工原子设计 拿大多伦多大 到2009年的6000种人工原子设计，下一阶段将进行 学的2组研究 的百万量级人工子设计，为超材料技犬的广泛成 人员在实 用莫定了基础。当前 美国波音公司、 日本丰田公 直接观测到了 司、韩国LG电子公司、美国雷神导弹公司等世界级 负折射现象： 跨国公司正着力推动超材料技术的产业化进程，积 2006年，1ahn 极抢占超材料市场份额。 Pendry数授和 当前，超材料主要的研究方向生中在(1)新 美国杜克大学 型超材料及其功能的设计、 性能优化及相关模拟) 的Smith D R 真方法；(2)器件的制造 由于亚波长特征尺寸的 ▲超材料使隐身斗篷成为可能 教授等人共同 限制，在光频波段进行器件制作需要高技术水平： 提出了超材料薄层能够让光线绕过物体从而使物体 (3)相互作用的研究：由于超材料的大多数性质都 隐形的预测，并展示了隐形斗篷的推形：2009年， 与表面/界面波有关，进一步探索这种近场波与自由 我田东南大学崔铁军与美国杜克大学刘若鹏等人合 空间电磁波的耦合 以及其材料内部的传播性质。 作在 “隐身衣” 研究上实现新的突破 研制出微波 需要不断更新理论概念、分析方法和实验测量技术 段地面日标的二维宽频带隐身衣：2010年，崔铁军 等方而。 研究组和一个德国一英国研究组相互独立地在世界 在短短的几年内，研究人员在各种超材料中已 上首次研制出三维稳身衣原型：2011年2月，英国伯 观察到许多奇特的电磁性质（从光频到微波）。比 明龄翰大学及加州大学伯古利分校的张理题组成功 “左毛材”、“隐身斗婆” 由強里洞 实现了可见光波段 中的隐身， 2011年7月 美国哥伦 透射增强材料等。我国相关机构也在积极开展超 比亚大学机械工程系副教授王琪薇等人研制出了 料技术的研发工作。国家自然科学基金、国家973 种新的光纳米结构，构建出零折射率“超材料”。 计划、国家预研技术等均在超材料的基础研究方面 超材料技术突破性的进展在科技界引起了广泛 给予了一定支持。目前，我国在超材料的基础研究 关注。2003年研发的“负折射率左手材料”与200 领域己积累了一批有影响的研究成果，形成了在 年研发的“超材料隐身斗篷”被《科学》杂志评为 际上有一定影响的研究队伍。 其大体上可划分为以 “世界十大科技突破 20o7年《Materials Today》 清华大学。 中国科学院物理研究所等为代表的北方 评选超材料为材料科学领域在过去50年间的十大进 集团，以东南大学、浙江大学、复旦大学、南京大 展之一：2010年《科学》杂志评选超材料为过去10 学等为代 年中人类最重大的十大科技突被之一 表的华东 国内外超材料的发展趋势 近年来，作为具有国家战略意义的新兴产业， 高等理工 超材料的研究开发得到了发达国家政府、学术界、 研究院所 产业界和军事界的高度重视。欧美国家的研究机 代表的华 构与政府先后投入了大量人力、物力与财力开展 超材料的研发。在2000年底，美国国防部“国防 高级研究计划署” -DARPA (Defense Advanced 看，国内 Research Projects Agency)重点提出关于超材料的 进行的超 研究计划，旨在联合美国大学和研究结构的研究 材料基础 优势对超材料技术进行攻关：欧盟联合协调项目 研究总体 METAMORPHOSE (MetaMaterials Organized fo 水平与国 28军民两用技术与产品20127 www.cnki.ne
28 军民两用技术与产品 2012 7 专家观点 2003 年，美国波 音公司“幻影 工作室”的C. Parazzoli与加 拿大多伦多大 学的2组研究 人员在实验中 直接观测到了 负折射现象； 2006年，John Pendry教授和 美国杜克大学 的Smith D R 教授等人共同 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；2009年， 我国东南大学崔铁军与美国杜克大学刘若鹏等人合 作在“隐身衣”研究上实现新的突破，研制出微波 段地面目标的二维宽频带隐身衣；2010年，崔铁军 研究组和一个德国－英国研究组相互独立地在世界 上首次研制出三维隐身衣原型；2011年2月，英国伯 明翰大学及加州大学伯克利分校的张翔课题组成功 实现了可见光波段中的隐身；2011年7月，美国哥伦 比亚大学机械工程系副教授王琪薇等人研制出了一 种新的光纳米结构，构建出零折射率“超材料”。 超材料技术突破性的进展在科技界引起了广泛 关注。2003年研发的“负折射率左手材料”与2006 年研发的“超材料隐身斗篷”被《科学》杂志评为 “世界十大科技突破”；2007年《Materials Today》 评选超材料为材料科学领域在过去50年间的十大进 展之一；2010年《科学》杂志评选超材料为过去10 年中人类最重大的十大科技突破之一。 国内外超材料的发展趋势 近年来，作为具有国家战略意义的新兴产业， 超材料的研究开发得到了发达国家政府、学术界、 产业界和军事界的高度重视。欧美国家的研究机 构与政府先后投入了大量人力、物力与财力开展 超材料的研发。在2000年底，美国国防部“国防 高级研究计划署”——DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）重点提出关于超材料的 研究计划，旨在联合美国大学和研究结构的研究 优势对超材料技术进行攻关；欧盟联合协调项目 METAMORPHOSE（MetaMaterials Organized for radio，millimeterwave，and Photonic Superlattice Engineering）主要是由24个欧洲大学参与研究新型 超材料，目前该项目已经进入第二阶段。 随着超材料技术不断创新，超材料的可设计复 杂度呈现指数型增长。从2001年的1种人工原子设计 到2009年的6000种人工原子设计，下一阶段将进行 的百万量级人工原子设计，为超材料技术的广泛应 用奠定了基础。当前，美国波音公司、日本丰田公 司、韩国LG电子公司、美国雷神导弹公司等世界级 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。 当前，超材料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。 在短短的几年内，研究人员在各种超材料中已 观察到许多奇特的电磁性质（从光频到微波），比 如“左手材料”、“隐身斗篷”、“电磁黑洞”、 透射增强材料等。我国相关机构也在积极开展超材 料技术的研发工作。国家自然科学基金、国家973 计划、国家预研技术等均在超材料的基础研究方面 给予了一定支持。目前，我国在超材料的基础研究 领域已积累了一批有影响的研究成果，形成了在国 际上有一定影响的研究队伍。其大体上可划分为以 清华大学、中国科学院物理研究所等为代表的北方 集团，以东南大学、浙江大学、复旦大学、南京大 学等为代 表的华东 集团，以 深圳光启 高等理工 研究院所 代表的华 南集团。 总体上来 看，国内 进行的超 材料基础 研究总体 水平与国 超材料使隐身斗篷成为可能 电磁黑洞捕捉电磁波，引导电磁波 螺旋式行进，直至被吸收
专家观点 外的差距相对较小，在实验研究、材料制各与器件 化研究的度和技术水平等方面差距相对较大。 在过去的20年里，人们已经致力于向复合材料 中融入传感功能。领军的国家和地风主要是美国和 欧洲，这一领域的研究目前是美国和欧洲国家重点 资助的研究主题之 迄今为止，复合智能超材 领域的一些工作主要集中在各种不同传感器和器件 的集成可行性研究上。这些研究包括了评价传感器 作为复合材料有机组成部分的耐久性，以及量化集 成器件中材料的强度和疲劳寿命。但亟待研究的方 面太多，例如很少研究在复合材料中嵌入传感器系 统网络进行应用，尚未将日前集成传感芯片领域内 ▲深圳光启高等理工研究院RF天线应用模拟平台 成果引入复台 智能 领域进行开发 从而导到 究，超材料天线的刚强度、抗腐蚀 、温湿度等特性 材料无法进行复杂的感知功能：同时，国际上对于 也逐渐可以满足雷达工作环境的要求。 低能耗微型集成传感芯片的研发也在持续发展中。 超材料特种天线里技术。由于天线罩的存在， 超材料的国防应用 电磁波需要穿透天线罩才能被雷达天线所接收。电磁 被由于阻抗不同而在它们的分界面上发生反射， 因为超材料具有的特殊电磁性能，其在雷达 而会造成电磁波能量的损耗，对 蛋达买线来说 由 隐身 电子对抗等诸多装备技术领域拥有巨大的。 磁波穿透天线罩时至少 会发生2次反射 地影 用潜力和发展空间：超材料技术是一项在国防领域 雷达天线接收的信号的质量。尽管制造天线罩的材 有着广泛应用前景、影响深远的共性技术，在某些 料一般都是反射较少的透波材料，但要在增加天线 领域更具备战略性重大突破的可能。目前，通过以 罩的厚度以使其满足耐压性能的同时，无疑会降低 深圳光启高等理工研究院为代表的科研团队的探 天线罩的透波率，从而影响雷达天线接收电磁波。 索，超材料在国防科技应用方面存在三大特色方 基于招材料据念开发的天线贸、滤波毁、雷达 不仅可以满足系统对机械性能的要求，并且保 超材料特种天线技术。雷达天线是超材料 正了电磁 能量的有效透射 以用 雷达 技术的主要应用方向之一，应用方式是将超材料智 和通信天线的外号 ,以将天线置于其内保 护起来， 代传统抛物面天线的反射面和设计共形天线等新型 防止恶劣环境对天线工作状态的影响与干扰 态雷达天线。超材料的技术特点主要包括电磁特性 超材料隐身技术。隐身技术是现代军事中具有 和物理特性两个方面。 巨大战术价值和战略威慑作用的一项技术。目前隐 在电磁特性方面，通过对超材料内部空间各项 身技术主要有两大方向：外形改变和吸波材料。然 电磁参数的设计，可实现电波传播方向调整 波爽 而外形改变的缺陷是严重损失了 赋形、极化旋转、 电磁透明等功能， 传统的 吸波材料 的缺 面天线相比，超材料天线可以对天线口径场进行精 护成本高 确设计，使天线具有接近理想口径分布时的方向图 以超材料技术为基础，产生了一种全新的给予 特性：通过超材料天线的不同设计，其工作频率范 超材料的隐身蒙皮技术。隐身蒙皮将电磁隐身性能 围可适应多种雷达工作频段：天线可实现低副瓣设 的超材料技术与具有常规机械、物理性能的蒙皮技 计：极化设计灵活， 术融合为一，充分发挥各自的优势。隐身蒙皮可以 在物理特性方面，与传统的反射面天线相日 完全取代现有装备的蒙皮，在不改变现有装备外形 超材料天线具有密度小 厚度薄等特 点 在同等 特征和不影响现有装备动力学性能的情况 性能条件下，可较大幅度地降低雷达天线的重量和 装备具有隐身性能。日前， 深圳光启高等到 研 口径：从天线形式上看，超材料天线通过微结构电 院掌握的超材料隐身蒙皮技术在电性能上已经接近 参数设计实现波束赋形，便于采用平板形式或与装 甚至超越国内同行业的龙头单位，在机械和其它物 载载体共形设计，天线可拼装、折叠，准修性好， 理性能上也正开展大量研究与合作，以加快该技术 同时便于架设和撒收：随若工程化技术的深入研 的工程化应用。 21994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. hp021军民两用技术与产品|29
2012 7 军民两用技术与产品 29 专家观点 外的差距相对较小，在实验研究、材料制备与器件 化研究的广度和技术水平等方面差距相对较大。 在过去的20年里，人们已经致力于向复合材料 中融入传感功能。领军的国家和地区主要是美国和 欧洲，这一领域的研究目前是美国和欧洲国家重点 资助的研究主题之一。迄今为止，复合智能超材料 领域的一些工作主要集中在各种不同传感器和器件 的集成可行性研究上。这些研究包括了评价传感器 作为复合材料有机组成部分的耐久性，以及量化集 成器件中材料的强度和疲劳寿命。但亟待研究的方 面太多，例如很少研究在复合材料中嵌入传感器系 统网络进行应用，尚未将目前集成传感芯片领域内 的成果引入复合智能材料领域进行开发，从而导致 材料无法进行复杂的感知功能；同时，国际上对于 低能耗微型集成传感芯片的研发也在持续发展中。 超材料的国防应用 因为超材料具有的特殊电磁性能，其在雷达、 隐身、电子对抗等诸多装备技术领域拥有巨大的应 用潜力和发展空间；超材料技术是一项在国防领域 有着广泛应用前景、影响深远的共性技术，在某些 领域更具备战略性重大突破的可能。目前，通过以 深圳光启高等理工研究院为代表的科研团队的探 索，超材料在国防科技应用方面存在三大特色方 向： 超材料特种天线技术。雷达天线是超材料特种 技术的主要应用方向之一，应用方式是将超材料替 代传统抛物面天线的反射面和设计共形天线等新型 态雷达天线。超材料的技术特点主要包括电磁特性 和物理特性两个方面。 在电磁特性方面，通过对超材料内部空间各项 电磁参数的设计，可实现电波传播方向调整、波束 赋形、极化旋转、电磁透明等功能。与传统的抛物 面天线相比，超材料天线可以对天线口径场进行精 确设计，使天线具有接近理想口径分布时的方向图 特性；通过超材料天线的不同设计，其工作频率范 围可适应多种雷达工作频段；天线可实现低副瓣设 计；极化设计灵活。 在物理特性方面，与传统的反射面天线相比， 超材料天线具有密度小、厚度薄等特点，在同等电 性能条件下，可较大幅度地降低雷达天线的重量和 口径；从天线形式上看，超材料天线通过微结构电 参数设计实现波束赋形，便于采用平板形式或与装 载载体共形设计，天线可拼装、折叠，维修性好， 同时便于架设和撤收；随着工程化技术的深入研 究，超材料天线的刚强度、抗腐蚀、温湿度等特性 也逐渐可以满足雷达工作环境的要求。 超材料特种天线罩技术。由于天线罩的存在， 电磁波需要穿透天线罩才能被雷达天线所接收。电磁 波由于阻抗不同而在它们的分界面上发生反射，从 而会造成电磁波能量的损耗。对于雷达天线来说，电 磁波穿透天线罩时至少会发生2次反射，严重地影响 雷达天线接收的信号的质量。尽管制造天线罩的材 料一般都是反射较少的透波材料，但要在增加天线 罩的厚度以使其满足耐压性能的同时，无疑会降低 天线罩的透波率，从而影响雷达天线接收电磁波。 基于超材料概念开发的天线罩、滤波罩、雷达 罩，不仅可以满足系统对机械性能的要求，并且保 证了电磁波能量的有效透射率，可以用于雷达天线 和通信天线的外罩，以将天线置于其内保护起来， 防止恶劣环境对天线工作状态的影响与干扰。 超材料隐身技术。隐身技术是现代军事中具有 巨大战术价值和战略威慑作用的一项技术。目前隐 身技术主要有两大方向：外形改变和吸波材料。然 而外形改变的缺陷是严重损失了飞机等装备的动力 学性能，吸波材料的缺陷是应用环境局限性大、维 护成本高。 以超材料技术为基础，产生了一种全新的给予 超材料的隐身蒙皮技术。隐身蒙皮将电磁隐身性能 的超材料技术与具有常规机械、物理性能的蒙皮技 术融合为一，充分发挥各自的优势。隐身蒙皮可以 完全取代现有装备的蒙皮，在不改变现有装备外形 特征和不影响现有装备动力学性能的情况下，使得 装备具有隐身性能。目前，深圳光启高等理工研究 院掌握的超材料隐身蒙皮技术在电性能上已经接近 甚至超越国内同行业的龙头单位，在机械和其它物 理性能上也正开展大量研究与合作，以加快该技术 的工程化应用。 深圳光启高等理工研究院RF天线应用模拟平台