情报交流 D0110.16338/5.ikn.1009+319.2017.05.11 国外超材料及隐身斗篷技术发展研究 王轩郝璐 黄兴军杨晓树 王秀芝 摘要简要介绍了超材料及隐身术的有关概 )的设计和加工来实现对电磁场、声波、光波等的 安地时并候斑时间顺年，可顾了国外能特针残B身十适款 控制，其性质主要源于其单元结构而非组成的材 料：由于涉及电子工程、凝聚态物理、微波、光电 关佩 点动态 对四外 子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米 材料和隐身4篷在身领的研究情况进行了深入分新与 科技等，所以，超材料研究是一项新兴的交叉学 科。 关键词隐身超材料 超表面 隐身十遥 (分子晶格)<p叫超材料品格)<A(工作波长) 引言 超材料metamaterial)是20世纪末21世纪初 物理学、材料学和电磁学领域出现的 个新学术名 词，其中“mea”为拉丁语，具有“超出”的意思。目 前，学术界一般认为，超材料是由亚波长人工微结 构单元构成的、具有自然材料所不具备的物理特性 的复合结构或材料。 超材料的范畴除了介电常数和磁导率同时为 的左手材料(doublenegative materials),也包扫 图1超材料“人造原子”结构示意 介电常数和磁导率单独为负或介于0-1的材料 关于超材料，国内外学者还有不同的看法，美 甚至还包括光子晶体回、高阻抗表面)等人工电磁 结构。目前，超材料相关技术己经被美国列为未来 国Munk B A教授就曾著文对左手材料提出质疑。 六大颠覆性基础研究领域之 传统上，物体的特性依赖于天然存在的材料：超材 隐身斗篷是其叶 料是逆向设计的，是针对电磁波的具体应用需求 的一个应用方向。 工制造出具有特殊功能的材料或结构 通常 1超材料及隐身斗篷有关概念 为，其主要特征有： 本节按照超材料在隐身领域中的应用范畴，依 )超常结构。超材料由大量亚波长微单元构 成，具有新颖的复杂人工结构及排布，可设计出具 次对超材料、超表面与表面等离激元、隐身斗篷以 有可控的等效介电常数和磁导率，自由调控电磁 及声隐身超材料有关概念进行了介绍· 波，其性质往往不主要取决于材料自身原有的基本 1.1超材料 性质，而取决于其复杂的人工结构： 超材料是通过人造微结构“人造原子”，见图 2)超奇特性。超材料具有奇特的物理性质（往 本文201724收到，王轩、郝瑞分别系北京机电工程研究所工程师、研究员 .s0, 飞航导弹2017年第5期 94-2017China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.cnki.ne
情报交流 DOI: 10． 16338 /j． issn． 1009-1319． 2017． 05． 11 本文 2017-02-04 收到，王轩、郝璐分别系北京机电工程研究所工程师、研究员 国外超材料及隐身斗篷技术发展研究 王 轩 郝 璐 黄兴军 杨晓树 王秀芝 摘 要 简要介绍了超材料及隐身斗篷技术的有关概 念，包括超材料、超表面与表面等离激元、隐身斗篷以及声 学超材料。按照时间顺序，回顾了国外超材料及隐身斗篷技 术的发展历程。通过近年来相关领域的热点动态，对国外超 材料和隐身斗篷在隐身领域的研究情况进行了深入分析与 总结。 关键词 隐身 超材料 超表面 隐身斗篷 引 言 超材料( metamaterial) 是 20 世纪末 21 世纪初， 物理学、材料学和电磁学领域出现的一个新学术名 词，其中“meta”为拉丁语，具有“超出”的意思。目 前，学术界一般认为，超材料是由亚波长人工微结 构单元构成的、具有自然材料所不具备的物理特性 的复合结构或材料。 超材料的范畴除了介电常数和磁导率同时为负 的左手材料( double-negative materials) ［1］，也包括 介电常数和磁导率单独为负或介于 0 ～ 1 的材料， 甚至还包括光子晶体［2］、高阻抗表面［3］等人工电磁 结构。目前，超材料相关技术已经被美国列为未来 六大颠覆性基础研究领域之一［4］，隐身斗篷是其中 的一个应用方向。 1 超材料及隐身斗篷有关概念 本节按照超材料在隐身领域中的应用范畴，依 次对超材料、超表面与表面等离激元、隐身斗篷以 及声隐身超材料有关概念进行了介绍。 1． 1 超材料 超材料是通过人造微结构( “人造原子”，见图 1) 的设计和加工来实现对电磁场、声波、光波等的 控制，其性质主要源于其单元结构而非组成的材 料; 由于涉及电子工程、凝聚态物理、微波、光电 子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米 科技等，所以，超材料研究是一项新兴的交叉学 科。 α( 分子晶格) p( 超材料晶格) ＜ λ( 工作波长) 图 1 超材料“人造原子”结构示意 关于超材料，国内外学者还有不同的看法，美 国 Munk B A 教授就曾著文对左手材料提出质疑。 传统上，物体的特性依赖于天然存在的材料; 超材 料是逆向设计的，是针对电磁波的具体应用需求、 人工制造出具有特殊功能的材料或结构，通常认 为，其主要特征有: 1) 超常结构。超材料由大量亚波长微单元构 成，具有新颖的复杂人工结构及排布，可设计出具 有可控的等效介电常数和磁导率，自由调控电磁 波，其性质往往不主要取决于材料自身原有的基本 性质，而取决于其复杂的人工结构; 2) 超奇特性。超材料具有奇特的物理性质( 往 · 05 · 飞航导弹 2017 年第 5 期
情报交流 往是自然界中的材料不具备的)，可以按人工要求 方式控制电磁波、声波和光波： 3)超强功能。超材料通过人工参数设计和制 备，能够实现无回波绕射隐身、反常反射等前所术 有的功能及其组合。迄今为止，有关研究指出，超 材料可能呈现出完美隐身、电磁黑洞、幻觉光学 完美诱镜等奇特物理现象。 1.2超表面与表面等离激元 超表面四是超材料的平 图2绕射式隐身斗篷 面版本 ,由平面亚波书 单元构成，这些单元具有可控的相移。与一般材料 相比，超表面厚度更薄，可设计实现较薄的隐身斗 篷。 表面等离激元是电酸波与材料中电子相互 合激发的 种高度表面局域化的混合电磁模式 图3反射式隐身斗篷 在材料内部表现为电子振荡，在材料外部表现为高 度局域化的表面波。利用表面等离激元原理结合超 3)。从实现途径上，隐身斗篷包括超材料隐身斗 表面可以设计超薄的隐身斗篷， 篷、超表面隐身斗篷等。 1.3隐身斗 4声学超村料 隐身斗篷是最先被提出的基于电磁超材料设计 声子晶体是20世纪90年代水声研究领域通 的隐身技术，该技术是料学家们从弯曲时空中得到 过类比光子品体提出的，是指由两种或两种以上介 启发，通过设计包覆物体的超材料单元及结构，从 质组成的具有弹性波带殿特性的周期性复合材料或 而控制电磁波在超材料中的传播，实现物体的“完 结构。在对声子品体深入研究基础上，学术界提出 隐身”，可以形象地将这种隐身现象描述为水流 了声学超材料的概念，它是由特殊设计的声学结构 流 块圆石头。 遇到阻挡后水流分开 ,再在石头 单元，如局 该共 元、 亥姆赫兹共振器 期 的后面汇聚，维续沿原来的方向向前流动 列在弹性介质中构成的人工声学结构，在结构尺可 隐身斗篷最先由Pendry在2006年提出，后 的亚被长频带内县有低顿带隙、低烦超常吸收、超 经Sc小uig在实验室验证和实现，自此成为国际上 常材料参数（负质量密度、负弹性模量）、负折射等 电磁超材料应用研究的一个热点方向 特殊物理效应。 隐身斗篷技术不同于传统的外形 材料等隐 随着声学超材料的提出 受电磁隐身斗篷技才 技术，它是在目标周围包覆一层超材料斗篷以控制 的启发，水声隐身领域也开始了声隐身斗篷技术研 电磁波的传播方向，使物体在入射电磁波方向没有 究。声隐身斗篷技术是利用特殊设计的介质构造保 回波，从而无法被深测到。隐身斗篷技术理论上可 护壳体，人为实现一个使声被扭曲的空间，控制声 实现完全隐身，无论什么外形、结构、材料的目标 波绕开被壳体覆盖区域来实现隐身的新概念声隐身 都能被隐身· 技术。理想情况下，这种性能使声波绕过目标后无 根据斗篷控制电磁波方向的方式，隐身斗篷可 琦变地传播，就像光线穿过一个透明物体一样，从 分为绕射式隐身斗篷和反射式隐身斗篷。绕射式隐 而达到隐身效果。 身斗篷可使电磁波平滑地在斗篷表面绕过，不会照 2007年末~2008年初.美国Duke大学的Ste 射到斗篷内的物体，实现空中目标的隐身（图2） Cummer和香港科技大学的Hua gCen论 反射式隐身斗篷产生与地面相同的反射，实现地面 了三维球壳形声学“ 篷”实现的可行性 西班 目标的隐身，反射式隐身斗篷又称作隐身地毯（图 学者Cummer S A论证了二维圆柱壳声学“斗蓬”实 飞航导弹2017年第5期 51 1994-2017China Academic Joural Electronie Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
情报交流 图 2 绕射式隐身斗篷 图 3 反射式隐身斗篷 往是自然界中的材料不具备的) ，可以按人工要求 方式控制电磁波、声波和光波; 3) 超强功能。超材料通过人工参数设计和制 备，能够实现无回波绕射隐身、反常反射等前所未 有的功能及其组合。迄今为止，有关研究指出，超 材料可能呈现出完美隐身、电磁黑洞、幻觉光学、 完美透镜等奇特物理现象。 1． 2 超表面与表面等离激元 超表面［5］是超材料的平面版本，由平面亚波长 单元构成，这些单元具有可控的相移。与一般材料 相比，超表面厚度更薄，可设计实现较薄的隐身斗 篷［6］。 表面等离激元［7］是电磁波与材料中电子相互 耦合激发的一种高度表面局域化的混合电磁模式， 在材料内部表现为电子振荡，在材料外部表现为高 度局域化的表面波。利用表面等离激元原理结合超 表面可以设计超薄的隐身斗篷。 1． 3 隐身斗篷 隐身斗篷是最先被提出的基于电磁超材料设计 的隐身技术，该技术是科学家们从弯曲时空中得到 启发，通过设计包覆物体的超材料单元及结构，从 而控制电磁波在超材料中的传播，实现物体的“完 美隐身”，可以形象地将这种隐身现象描述为水流 流经一块圆石头，遇到阻挡后水流分开，再在石头 的后面汇聚，继续沿原来的方向向前流动。 隐身斗篷最先由 Pendry［8］在 2006 年提出，后 经 Schurig 在实验室验证和实现，自此成为国际上 电磁超材料应用研究的一个热点方向。 隐身斗篷技术不同于传统的外形、材料等隐身 技术，它是在目标周围包覆一层超材料斗篷以控制 电磁波的传播方向，使物体在入射电磁波方向没有 回波，从而无法被探测到。隐身斗篷技术理论上可 实现完全隐身，无论什么外形、结构、材料的目标 都能被隐身。 根据斗篷控制电磁波方向的方式，隐身斗篷可 分为绕射式隐身斗篷和反射式隐身斗篷。绕射式隐 身斗篷可使电磁波平滑地在斗篷表面绕过，不会照 射到斗篷内的物体，实现空中目标的隐身( 图 2) ; 反射式隐身斗篷产生与地面相同的反射，实现地面 目标的隐身，反射式隐身斗篷又称作隐身地毯( 图 3) 。从实现途径上，隐身斗篷包括超材料隐身斗 篷、超表面隐身斗篷等。 1． 4 声学超材料 声子晶体［9］是 20 世纪 90 年代水声研究领域通 过类比光子晶体提出的，是指由两种或两种以上介 质组成的具有弹性波带隙特性的周期性复合材料或 结构。在对声子晶体深入研究基础上，学术界提出 了声学超材料的概念，它是由特殊设计的声学结构 单元，如局域共振单元、亥姆赫兹共振器等周期排 列在弹性介质中构成的人工声学结构，在结构尺寸 的亚波长频带内具有低频带隙、低频超常吸收、超 常材料参数( 负质量密度、负弹性模量) 、负折射等 特殊物理效应。 随着声学超材料的提出，受电磁隐身斗篷技术 的启发，水声隐身领域也开始了声隐身斗篷技术研 究。声隐身斗篷技术是利用特殊设计的介质构造保 护壳体，人为实现一个使声波扭曲的空间，控制声 波绕开被壳体覆盖区域来实现隐身的新概念声隐身 技术。理想情况下，这种性能使声波绕过目标后无 畸变地传播，就像光线穿过一个透明物体一样，从 而达到隐身效果。 2007 年末 ～ 2008 年初，美国 Duke 大学的 Steven Cummer 和香港科技大学的 Huanyang Chen 论证 了三维球壳形声学“斗篷”实现的可行性，西班牙 学者 Cummer S A 论证了二维圆柱壳声学“斗篷”实 飞航导弹 2017 年第 5 期 · 15 ·
情报交流 现的可行性，从而将“斗篷”技术引入声学领域，为 声学隐身技术开拓了新的研究领域。 2008年，里格斯大学的Norris教授在《英国 家学会学报》上发表的声隐身斗篷理论(acousti cloaking theory) 一文中肖次提出“金属水”概念 论证了声隐身斗篷所需超材料的基本特性，指出了 声隐身斗篷实现的可能方向。图4是“金属水”基本 结构 图5双负超材左手材料 细的。 体积量 保效密度 图4“金属水“周期性结构 图6 Pendry的变换光学理论示意图 目前，利用声子晶体及声学超材料设计声学斗 篷的研究尚处于起步阶段。西班牙和美国学者利用 着设定好的路线传播，图6就是Pendry的方案示 声子晶体构造了各向异性的声学材料，通过数值仿 图。同年，美国杜克大学的Schurig设计了一种特殊 真验证了声学斗篷的效果。 电磁参数分布的圆环，使得圆环内的物体实现隐 身。从此，隐身斗篷技术得到了快速发展，并不圈 2国外发展情况分析 涌现新的隐身斗篷方案 目前，国外开展超材料研究的国家主要有关 超材料隐身技术及隐身斗篷的发展经过探索 国、英国、欧盟、日本、韩国、俄罗斯等。这些国家 目前正进行基础研究，部分领域已有应用探素研 超材料技术研究得到了来自政府和军方的大力支 究。探索阶段以负折射率材料研究为牵引，有以下 持，发展势头迅猛 面要事件 2.】发展历程荷分 1968年：苏联Veslag0教授提出了负折射率材 1968年，苏联科学家Veselago假想了一种具有 料的理论： 负介电常数和负磁导率的材料，并从理论上分析了 1996/g9年：苹国Pend四分别想出金属线和 该材料具有的诸多奇特性质，称为左手材料。英国 SRR实现了双负材料（即具有负折射率和负磁导 帝国理工大学教授Pendry先后于1996年和1999年 通过特殊的周期结构实现了负介电常数和负磁导 2001年：美国杜克大学Smith团队实验验证了 率。2001年，加州理工大学的Shelby将两种结物加 负折射率材料： 以结合，实现了双负（如图5所示），并首次通过实 2002年：多伦多大学Eleftheriades团队提出了 验完成了超材料原理验证。 传输线负折射理论 2006年，Pendry首次提出变换光学理论来实现 2003年：加州大学Caloz团队提出了左右手复 隐身斗篷。通过设计特定的电磁参数，可使光线沿 合传输线理论： ·52· 飞航导弹2017年第5期 994-017 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
情报交流 图 5 双负超材料( 左手材料) 图 6 Pendry 的变换光学理论示意图 现的可行性，从而将“斗篷”技术引入声学领域，为 声学隐身技术开拓了新的研究领域。 2008 年，里格斯大学的 Norris 教授在《英国皇 家学会学报》上发表的声隐身斗篷理论( acoustic cloaking theory) ［10］一文中首次提出“金属水”概念， 论证了声隐身斗篷所需超材料的基本特性，指出了 声隐身斗篷实现的可能方向。图 4 是“金属水”基本 结构。 图 4 “金属水”周期性结构 目前，利用声子晶体及声学超材料设计声学斗 篷的研究尚处于起步阶段。西班牙和美国学者利用 声子晶体构造了各向异性的声学材料，通过数值仿 真验证了声学斗篷的效果。 2 国外发展情况分析 目前，国外开展超材料研究的国家主要有美 国、英国、欧盟、日本、韩国、俄罗斯等。这些国家 超材料技术研究得到了来自政府和军方的大力支 持，发展势头迅猛。 2． 1 发展历程简介 1968 年，苏联科学家 Veselago 假想了一种具有 负介电常数和负磁导率的材料，并从理论上分析了 该材料具有的诸多奇特性质，称为左手材料。英国 帝国理工大学教授 Pendry 先后于1996 年和1999 年 通过特殊的周期结构实现了负介电常数和负磁导 率。2001 年，加州理工大学的 Shelby 将两种结构加 以结合，实现了双负( 如图 5 所示) ，并首次通过实 验完成了超材料原理验证。 2006 年，Pendry 首次提出变换光学理论来实现 隐身斗篷。通过设计特定的电磁参数，可使光线沿 着设定好的路线传播，图 6 就是 Pendry 的方案示意 图。同年，美国杜克大学的 Schurig 设计了一种特殊 电磁参数分布的圆环，使得圆环内的物体实现隐 身。从此，隐身斗篷技术得到了快速发展，并不断 涌现新的隐身斗篷方案。 超材料隐身技术及隐身斗篷的发展经过探索， 目前正进行基础研究，部分领域已有应用探索研 究。探索阶段以负折射率材料研究为牵引，有以下 重要事件: 1968 年: 苏联 Veslago 教授提出了负折射率材 料的理论; 1996 /99 年: 英国 Pendry 分别提出金属线和 SＲＲ 实现了双负材料( 即具有负折射率和负磁导 率) ; 2001 年: 美国杜克大学 Smith 团队实验验证了 负折射率材料; 2002 年: 多伦多大学 Eleftheriades 团队提出了 传输线负折射理论; 2003 年: 加州大学 Caloz 团队提出了左右手复 合传输线理论; · 25 · 飞航导弹 2017 年第 5 期
情报交流 2004年：美国爱荷华州立大学Soukoulis团队 隐身是近年来出镜率最高的超材料应用，也是 制备了100THz磁超材料： 迄今为止超材料技术研究最为集中的方向。未来 2005年：英国伯明翰大学张爽等实验验证了近 材料在电磁隐身、光隐身和声隐身等方面具有目 红外负折射率材料： 大 用潜力。超材料实现隐身与传统隐身技术的 2007年：美国爱荷华州立大学Soukoulis团队 别是，超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过 制各了光频负折射率材料： 被隐藏的物体，在技术上实现真正意义上的隐身。 2009年：关国Munk B A教授著书Metamateri- 据报道，美国的F35和DDG1000大型取逐舰均应 als-Critique and Alternatives》,对左手材料的观点提 用了超材技术 出批判： 在电磁隐身方面，2006年，美国杜克大学与英 2011年：哈佛大学C即pss0团队提出了广义反 国帝国理工学院合作提出了一种微波颊段的电磁 射/折射定律。 身设计方案，这种设计方案由10个同心圆筒组成 招材料隐身技术基础研究阶段以隐身技术发展 采用矩形开口环谐振器单元结构，实验结果证实负 需求为牵引，进行纵向拓展，横向融合。该阶段有 折射率材料用于物体的隐身是可行的。 2012年.羊 以下重要事件 国东北大学采用掺杂钪的M型钡铁氧薄片和铜线 2006年：Pendry和Smith提出坐标变换方法 组合，设计和试验了可在33~44GHz电磁波段可 完成了微波频段窄带电磁隐身衣实验，开辟了以超 调的负折射率材料。美国雷锡恩公司开发的透波率 材料为材料基础、以变换光学为设计手段的新型功 可控人工复合蒙皮材料嵌入可变电容的金属微结构 能物理器件设计的先河，在纵向上拓展了超材料研 频率选择表面，通过控制加载在可变电容上的偏置 究范围 ,改变须率选择表面 的电 从而实现有 2008年：Smith团队提出了超材料完美吸波体 料透被特性的人工控制，可应用于各种先进雷达系 的概念： 统和下一代隐身战机的想能隐身蒙皮。2015年，加 2009年：Smih团队完成了二维宽频带地毯隐 州理工大学提出了利用绝缘超表面实现新的隐身地 身衣的实验验证： 毯方案，超表面的基本单元不再使用金属，而是采 20104 德国Karlsruhe Institute of Technology 用特氟龙和陶瓷这两种电磁损耗非常小的介质 制备了三维光频隐身农， 料，而且超表面非常薄，达到亚波长，只斋要 2015年：加州大学发表极薄绝缘超表面隐身斗 即可，同时地毯的形状与陶瓷圆柱的高度都经过特 篷研究情况。 殊设计，该方案克服了传统超材料隐身斗篷损耗强 由于可实现负折射率和电磁隐身衣等奇特功 和尺寸大的缺陷（如图7所示） 能，超材料技术2010年被《俐科学》杂志评为过去 年人类最重大的十项科技突破之一，引起全球赋 目。 0 2.2研究动态 ▣5 超常的物理特性使得超材料的应用前景十分 泛，其应用范围覆盖了工业、军事、生活等各个方 村底 25 面。特别是电磁超材料，对未来的通信、光电子/微 电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁 图7加州理工大学笔缘超表面隐身地毯 场、太阳能及微波能利用等技术将会产生深远的影形 响。近年来，超材科在隐身、雷达、通信、电子对抗 在光学隐身方面，2012年，加拿大超隐身生物 等领域的应用研究不断增强，展现出巨大的应用 公司 种名为量子隐身的神奇材料。它能 力和发展空间。 周围光线折射而发生弯曲，从而使其覆盖的物体或 飞航导弹2017年第5期 53· 199-017China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
情报交流 2004 年: 美国爱荷华州立大学 Soukoulis 团队 制备了 100 THz 磁超材料; 2005 年: 英国伯明翰大学张爽等实验验证了近 红外负折射率材料; 2007 年: 美国爱荷华州立大学 Soukoulis 团队 制备了光频负折射率材料; 2009 年: 美国 Munk B A 教授著书《Metamaterials-Critique and Alternatives》，对左手材料的观点提 出批判; 2011 年: 哈佛大学 Capasso 团队提出了广义反 射/折射定律。 超材料隐身技术基础研究阶段以隐身技术发展 需求为牵引，进行纵向拓展，横向融合。该阶段有 以下重要事件: 2006 年: Pendry 和 Smith 提出坐标变换方法， 完成了微波频段窄带电磁隐身衣实验，开辟了以超 材料为材料基础、以变换光学为设计手段的新型功 能物理器件设计的先河，在纵向上拓展了超材料研 究范围; 2008 年: Smith 团队提出了超材料完美吸波体 的概念; 2009 年: Smith 团队完成了二维宽频带地毯隐 身衣的实验验证; 2010 年: 德国 Karlsruhe Institute of Technology 制备了三维光频隐身衣。 2015 年: 加州大学发表极薄绝缘超表面隐身斗 篷研究情况［11］。 由于可实现负折射率和电磁隐身衣等奇特功 能，超材料技术 2010 年被《科学》杂志评为过去十 年人类最重大的十项科技突破之一，引起全球瞩 目。 2． 2 研究动态 超常的物理特性使得超材料的应用前景十分广 泛，其应用范围覆盖了工业、军事、生活等各个方 面。特别是电磁超材料，对未来的通信、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会产生深远的影 响。近年来，超材料在隐身、雷达、通信、电子对抗 等领域的应用研究不断增强，展现出巨大的应用潜 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。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。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。 据报道，美国的 F-35 和 DDG1000 大型驱逐舰均应 用了超材料技术。 在电磁隐身方面，2006 年，美国杜克大学与英 国帝国理工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 GHz 电磁波段可 调的负折射率材料。美国雷锡恩公司开发的透波率 可控人工复合蒙皮材料嵌入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，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。2015 年，加 州理工大学提出了利用绝缘超表面实现新的隐身地 毯方案，超表面的基本单元不再使用金属，而是采 用特氟龙和陶瓷这两种电磁损耗非常小的介质材 料，而且超表面非常薄，达到亚波长，只需要一层 即可，同时地毯的形状与陶瓷圆柱的高度都经过特 殊设计，该方案克服了传统超材料隐身斗篷损耗强 和尺寸大的缺陷( 如图 7 所示) 。 图 7 加州理工大学绝缘超表面隐身地毯 在光学隐身方面，2012 年，加拿大超隐身生物 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 飞航导弹 2017 年第 5 期 · 35 ·
情报交流 人完全隐身，不仅能“骗"”过人的肉眼，在军用夜视 参考文献 镜、红外探测器的探下也能成功隐身。这种材料 [1]Veselago V G.The electrody mics of substances with simualtancously negative values of g and u.Soviet Physics 望在下 Uspekhi.1968(10) 以来，美国陆军和普渡大学研究了在特定的电磁频 [2]John S.Strong location of photons in certain disordered 谱波段具有光谱选择性的新型隐身材料。2014年 lielectric super-attices.Physical Review Letter.1987 58231 美国佛罗里达大学的研究团队研制出一种可实现 见光隐身的超材料，实现这 技术突破的关键是利 [3]Sievenpiper D.High-impedance electro faces Los Andles:University of Califonia.1990 用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料 [4]Van Blackwood,AFOSR overview.Air Force Research 纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射 Laboratory.2012 率。使光从其周围袋讨而实现隐身， [s]Smith D R.Schurie D.Mock I Characterization of a 在声隐身方面，2011年，美国朴点大学卡默尔 planar artificial magnetie metamaterial surface.Phys.Re- 教授的团队开发出 维声学斗篷 能使10cm iewE.74.2006.t.036604 大小的木块不被声波探测到。2014年3月，杜克大 [6]Ni X,Won Z J.Mrejen M.et al.An ultrathin invisibili- 学制造出世界上首个三维声学斗篷，它是一种利用 ty skin cloak for visible light.Seience,Vol.349.2015 [71 Lockvear M I.Hibbins A P.Sambles I R.Microwave 声隐身超材料制成的声隐身装置，能使入射声波沿 surface-plasmon-like modes on thin metamaterials.Phys 斗篷表面传播，不反射也不诱射，实现对探测声波 Rey.LeL.102.07390112009 的隐身。三维声学斗篷由一些具有重复排列小 的 [8]Pendry J B,Schurig D.Smith D R.Controlling eleetr 塑料板组成，能在3000Hz的声波下表现出完美的 maznetic fields.Science.Vol.312.2006 隐身效果，验证了声学斗篷应用于主动声纳对抗的 [9]Liu Z.Zhang X.Mao Y.et al.Locally resonant sonic 可行性。 naterials.Science.Vol 289.2000 「山0]杆璃飞.飞行器红外隐身技术发展分析.飞航导弹 3结束语 2016(8 超材料不仅是一种材料形态，更代表着 种全 [11]Norris A N.Acoustic cloaking theory proccedings of the Roval Society of London Series A).Mathematical. 新的材料设计理念，因此，它的出现为新型功能材 Physical and Eneineering Sciences.Vol.464.2008 料及器件的设计和开发提供了广阔的空间。 「12】万鹃飞，王明宇，王馨.组网反隐身技术探讨，飞航 目前，超材料基础理论向多学科高府交叉种合 导弹.，2015(91 方向发展实验研究向宽频带、低损耗、 高频率 、 [13]Li Yi Hau.Thomas lepetit,Boubacar Kante.Extremely 赫兹、红外和可见光)、各向同性等方向发展。超材 thin dielectric metasurface for Carpet cloaking.Progress 料隐身及隐身斗篷、基于超材料的高性能、小型 in Eleetmmamneties Research.Vol.152.2015 化、新功能天线和微波器件是目前超材料应用研究 的热点。 ·54· 飞航导弹2017年第5期 1994-2017China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
情报交流 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 望在下一代隐身战机、舰艇和坦克上应用。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隐身材料。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 cm 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 3 000 Hz 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纳对抗的 可行性。 3 结束语 超材料不仅是一种材料形态，更代表着一种全 新的材料设计理念，因此，它的出现为新型功能材 料及器件的设计和开发提供了广阔的空间。 目前，超材料基础理论向多学科高度交叉融合 方向发展; 实验研究向宽频带、低损耗、高频率( 太 赫兹、红外和可见光) 、各向同性等方向发展。超材 料隐身及隐身斗篷、基于超材料的高性能、小型 化、新功能天线和微波器件是目前超材料应用研究 的热点。 参考文献 ［1］ Veselago V G． The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ． Soviet Physics Uspekhi，1968( 10) ［2］ John S． Strong location of photons in certain disordered dielectric super-lattices． Physical Ｒeview Letter，1987， 58( 23) ［3］ Sievenpiper D． High-impedance electromagnetic surfaces． Los Angles: University of Califonia，1999 ［4］ Van Blackwood，AFOSＲ overview． Air Force Ｒesearch Laboratory，2012 ［5］ Smith D Ｒ，Schurig D，Mock J J． Characterization of a planar artificial magnetic metamaterial surface． Phys． Ｒeview E，74，2006，art． 036604 ［6］ Ni X，Won Z J，Mrejen M，et al． An ultrathin invisibility skin cloak for visible light． Science，Vol． 349，2015 ［7］ Lockyear M J，Hibbins A P，Sambles J Ｒ． Microwave surface-plasmon-like modes on thin metamaterials． Phys． Ｒev． Lett． 102，073901 ( 2009) ［8］ Pendry J B，Schurig D，Smith D Ｒ． Controlling electromagnetic fields． Science，Vol． 312，2006 ［9］ Liu Z，Zhang X，Mao Y，et al． Locally resonant sonic materials． Science，Vol． 289，2000 ［10］ 任鹏飞． 飞行器红外隐身技术发展分析． 飞航导弹， 2016( 8) ［11］ Norris A N． Acoustic cloaking theory proceedings of the Ｒoyal Society of London ( Series A) ． Mathematical， Physical and Engineering Sciences，Vol． 464，2008 ［12］ 万鹏飞，王明宇，王馨． 组网反隐身技术探讨． 飞航 导弹，2015( 9) ［13］ Li Yi Hsu，Thomas lepetit，Boubacar Kante． Extremely thin dielectric metasurface for Carpet cloaking． Progress in Electromagnetics Ｒesearch，Vol． 152，2015 · 45 · 飞航导弹 2017 年第 5 期