Dynam i State at Hom e and Abroad 国内外动态 超材料的研究进展与应用 口张文毓 中国船重工集团公司第七二五研究所河南洛阳471023 摘要：超材料指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工材料。对超材料的制备技术进行了 介绍，对其在国内外的研究现状进行了论述。从电子元件、超分辨成像、导弹装备等方面对超材料的应用 进行了分析。 Abstract:Metamaterials refer to artificial materials with extraordinary physical properties that natu ral materials do not possess.The preparation technology of metamaterials was in oduced and the research sta tus at home and abroad was discussed.The applications of metamaterials were analyzed ponents super-resolution imaging.and missile equipment. 关键词：招材料：发属：应用，综述 Key Words:Metamaterial :Development Application Overview 中图分类号：TH140.8 文裁标志码：B 文章编号：1672-0555Q01902-0067-05 制，从而获得自然界中在该层次上块体材料所不具 超材料概述 备的物理性质们 超材料特殊的物理性能往往来自于它的特殊结 超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理 构，因而人工设计制各不同的超材料结构成为该领 性质的人工复合结构或复合材料，广义的招材料句 域研究的重要方向。超材料的制备技术包括自组装 括光子品体、左手材料超磁材料等。光子品体（心 技术、刻蚀技术和沉积技术，随着微加工技术的不断 是具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。 进步及三维打印技术的发展，三维打印技术也成为 手材料HD是 一类在一定频段下同时具有负 超材料制备的新途径。 导率和负介电常数的材料。超磁材料是利用软磁铁 目前应用较多的超材料制作技术可分为光刻类 氧体的高磁化强度和硬磁铁氧体的高矫顽场特性的 技术和印刷类技术。另外还有以电子束直写 相互作用和耦合，进而获得具有高磁能积的磁性材 (EBDW、整笔印制DPD、聚焦离子束(FIB)等为 料。除此之 ,其它 些具有特殊人工结构的材料 代表的直写类技术也可以用来制备超材料 也属于超材料的范畴，像电磁晶体、频率选择表面、 超材料可用于功能性器件的开发，如纳米波导 人工磁导体、基于传输线结构的超材料、等离子体结 及有特殊要求的波束引导元件、表面等离子体光子 构的超材料等因此，可以理解为超材料的形成是人 齿片、亚波长光学数据存储、新型光源、招衍射极限 们通过各种层次的有序结构实现对种种物理量的调 高分辨成像、纳米光刻蚀、生物传感器及探测器的应 收篇日期：2017年5月 作若简分：张文酸(1968一，女，本科，高级工程师，主整从事情报研究工作 装备机械|67 994-2018China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.hp://www.cnki.net
装 备 机 械 1 超材料概述 超材料是指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，广义的超材料包 括光子晶体、左手材料、超磁材料等。光子晶体（PC） 是具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。左 手材料（LHM）是一类在一定频段下同时具有负磁 导率和负介电常数的材料。超磁材料是利用软磁铁 氧体的高磁化强度和硬磁铁氧体的高矫顽场特性的 相互作用和耦合，进而获得具有高磁能积的磁性材 料。除此之外，其它一些具有特殊人工结构的材料， 也属于超材料的范畴，像电磁晶体、频率选择表面、 人工磁导体、基于传输线结构的超材料、等离子体结 构的超材料等。因此，可以理解为超材料的形成是人 们通过各种层次的有序结构实现对种种物理量的调 制，从而获得自然界中在该层次上块体材料所不具 备的物理性质[1]。 超材料特殊的物理性能往往来自于它的特殊结 构，因而人工设计制备不同的超材料结构成为该领 域研究的重要方向。超材料的制备技术包括自组装 技术、刻蚀技术和沉积技术，随着微加工技术的不断 进步及三维打印技术的发展，三维打印技术也成为 超材料制备的新途径。 目前应用较多的超材料制作技术可分为光刻类 技术和印刷类技术 。 另外还有以电子束直写 （EBDW）、蘸笔印刷（DPN）、聚焦离子束（FIB）等为 代表的直写类技术也可以用来制备超材料[2]。 超材料可用于功能性器件的开发，如纳米波导 及有特殊要求的波束引导元件、表面等离子体光子 芯片、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、生物传感器及探测器的应 超材料的研究进展与应用 □ 张文毓 中国船舶重工集团公司 第七二五研究所 河南洛阳 471023 摘 要：超材料指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工材料。对超材料的制备技术进行了 介绍，对其在国内外的研究现状进行了论述。从电子元件、超分辨成像、导弹装备等方面对超材料的应用 进行了分析。 Abstract：Metamaterials refer to artificial materials with extraordinary physical properties that natural materials do not possess. The preparation technology of metamaterials was introduced and the research status at home and abroad was discussed. The applications of metamaterials were analyzed from electronic components, super-resolution imaging, and missile equipment. 关键词：超材料；发展；应用；综述 Key Words：Metamaterial ；Development ；Application ；Overview 中图分类号：TH140.8 文献标志码：B 文章编号：1672-0555（2018）02-0067-05 收稿日期：2017 年 5 月 作者简介：张文毓（1968—），女，本科，高级工程师，主要从事情报研究工作 国 内 外 动 态 Dynamic State at Home and Abroad Dynamic State at Home and Abroad 国 内 外 动 态 67
国内外动态 Dynam ic State at Home and Abroad 用和军用隐身材料等。 性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有 2国内外超材料研究现状 常，这些被禁止的频率区间为光子带隙，也称光子频 2.1国外超材科研究现状 率禁带，将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子 超材料的概念最早由俄罗斯科学家Veselag在 晶体 1968年提出。超材料领域研究中处于领先地位的国 电磁超材料也称为新型人工电磁材料、新型人 家和地区主要是美国和欧洲。2000年底，美国国防 工电磁媒质、特异煤质，是通过人工方式加工或合成 部“国防高级研究计划罢”联合美国一些大学和研究 的、具有周期或准周期结构以及特异电磁性质的复 机构，开展了关于超材料的研究计划，为超材料技术 合材料，兴起于二十一世纪初。超材料具有三个重要 的广泛应用奠定了基础。欧盟也联合欧洲24所大学 特征：①具有特殊人工结构：②具有超常物理性质： 共同开展了联合协调项目。 ③电磁性质往往主要取决于材料的人工结构。 超材料是一个新兴的重点发展领域，得到美闲 目前，黄欧军方看好超材料有可能在隐身技术 欧洲等发达国家的重视和支持。美国国防部长办 武器装备中微波器件小型化和小型高效天线上实现 室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之 突破，这对提高通信和电子我能力尤为重要，因此积 美国国防高级研究计划局(DARPA)把超材料定义 极支持超材料相关的基础和预研研究。 为“强力推讲增长领域”，美国空军科学研究办公室 22国内超材料研究现状 把超材料列入“十大关键领域”。2015年，美国国防 随若中国“十三五”规划纲要的实施，超材料已 高级研究计划局在超材料域的投资增长了75% 被列为当前应大力发展的领域。超材料技术将推动 当前，超材料主要的研究方向集中在以下几方 中国尖端装备的前沿研究和实际应用，将对这些领 面：①新型超材料及其功能的设计性能优化及相 域产生颠覆性的影响。中国超材料研究开始进入一 关仿真方法：②在器件制造方面 ,由于受亚波长料 个全面跃升的重要时期，正 于由突破性研究成果 征尺寸的限制 在光频波段进行器件制作需要高五 可实际应用转化的关键阶段。 术水平：③相互作用研究方面，由于超材料的大多 在短短的几年内，研究人员在各种超材料中已 数性质都与表面/界面波有关，讲一步探索这种近 观察到许多奇特的电磁性质（从光频到微波），比如 场波与自由空间电磁波的耦合 以及其材料内部的 左手材料、隐身斗篷、电磁黑洞、透射增强材料等 我 传播性质，需要不断更新理论概念、分析方法和实验 国相关机构也在积极开展超材料技术的研发工作 测量等技术彻。 用家白饮租学基金用家g73十别困家而研技术 左手材料也被称为双负媒质成者负折射率 均在超材料的基础研究方面给子了一定支持。目前 质，左手材料具有介电常数与磁导率同时为负值 我国在超材料的基础研究领域已积累了 批有影 电磁特性，这与自然界中的大多数材料有看直接 的研究成果，形成了在国际上有一定影响的研究 意异)001年，半司床劣理工学察的到研人品首次 伍。其大体上可划分为以清华大学、中国科学院物理 制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率 研究所等为代表的北方集团，以东南大学、浙江大 的材料，并通过实验观察到了负折射现象。左手材 学、复旦大学、南京大学等为代表的华东集团，以深 由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实 圳光启高等理工研究院所代表的华南集团。总体」 验的研究正不断完善，已成为近年来物理学和电磁 来看，国内进行的超材料基础研究总体水平与国外 学师域的研究热占 的差距相对较小，在试验研究、材料制备与器件化研 近年来，具有纳米尺寸的光子晶体超材料已 究的广度和技术水平等方面差距相对较大 发展成为科技工作者研究的焦点。光子品体是指月 2.3超材料研究进展 有光子带隙(PBG)特性的人造周期性电介质结构 超材料在基础研究和关健技术两方面有相当好 有时也称为PBG晶体结构。它是由电子学上的概念 的研究基础。超材料的优势在于突破传统材料的束 类比得出的。在固体物理学的研究中，晶体中呈周期 缚 构造出功能新颗且现有技术又更易制备的电磁 68N0.22018 1994-2018hina Academic Journal Electronic Publishing House. .All rights reserved.http://www.cnki.net
No.2 2018 用和军用隐身材料等。 2 国内外超材料研究现状 2.1 国外超材料研究现状 超材料的概念最早由俄罗斯科学家 Veselago 在 1968 年提出。超材料领域研究中处于领先地位的国 家和地区主要是美国和欧洲。2000 年底，美国国防 部“国防高级研究计划署”联合美国一些大学和研究 机构，开展了关于超材料的研究计划，为超材料技术 的广泛应用奠定了基础。欧盟也联合欧洲 24 所大学 共同开展了联合协调项目[3]。 超材料是一个新兴的重点发展领域，得到美国、 欧洲等发达国家的重视和支持。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， 美国国防高级研究计划局（DARPA）把超材料定义 为“强力推进增长领域”，美国空军科学研究办公室 把超材料列入“十大关键领域”。2015 年，美国国防 高级研究计划局在超材料领域的投资增长了 75%。 当前，超材料主要的研究方向集中在以下几方 面：① 新型超材料及其功能的设计、性能优化及相 关仿真方法；② 在器件制造方面，由于受亚波长特 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 相互作用研究方面，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 测量等技术[4]。 左手材料也被称为双负媒质或者负折射率物 质，左手材料具有介电常数与磁导率同时为负值的 电磁特性，这与自然界中的大多数材料有着直接的 差异。2001 年，美国麻省理工学院的科研人员首次 制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率 的材料，并通过实验观察到了负折射现象。左手材料 由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实 验的研究正不断完善，已成为近年来物理学和电磁 学领域的研究热点。 近年来，具有纳米尺寸的光子晶体超材料已经 发展成为科技工作者研究的焦点。光子晶体是指具 有光子带隙（PBG）特性的人造周期性电介质结构， 有时也称为 PBG 晶体结构。它是由电子学上的概念 类比得出的。在固体物理学的研究中，晶体中呈周期 性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有 特殊的约束作用。在介电常数周期性分布的介质中， 电磁波的一些频率是被禁止的，光子晶体也类似。通 常，这些被禁止的频率区间为光子带隙，也称光子频 率禁带，将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子 晶体。 电磁超材料也称为新型人工电磁材料、新型人 工电磁媒质、特异媒质，是通过人工方式加工或合成 的、具有周期或准周期结构以及特异电磁性质的复 合材料，兴起于二十一世纪初。超材料具有三个重要 特征：① 具有特殊人工结构；② 具有超常物理性质； ③ 电磁性质往往主要取决于材料的人工结构。 目前，美欧军方看好超材料有可能在隐身技术、 武器装备中微波器件小型化和小型高效天线上实现 突破，这对提高通信和电子战能力尤为重要，因此积 极支持超材料相关的基础和预研研究[5]。 2.2 国内超材料研究现状 随着中国“十三五”规划纲要的实施，超材料已 被列为当前应大力发展的领域。超材料技术将推动 中国尖端装备的前沿研究和实际应用，将对这些领 域产生颠覆性的影响。中国超材料研究开始进入一 个全面跃升的重要时期，正处于由突破性研究成果 向实际应用转化的关键阶段。 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外 的差距相对较小，在试验研究、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。 2.3 超材料研究进展 超材料在基础研究和关键技术两方面有相当好 的研究基础。超材料的优势在于突破传统材料的束 缚，构造出功能新颖且现有技术又更易制备的电磁 国 内 外 动 态 Dynamic State at Home and Abroad Dynamic State at Home and Abroad 国 内 外 动 态 68
Dynam i State at Hom e and Abroad 国内外动态 功能结构。纵观其发展历程，超材料一直在向着高应 合材料与结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换 用性的方向发展。应用领域从微波到红外再到光波 般可分为两大类：控制热流和利用热能：用声子 段，不断扩展适用频段。制造工艺从印制电路板门 行信息传输和处理。热学超材料正在被研究用于控 艺机械加工工艺到三维打印和微纳制造，既可以加 制热量的定向辐射。 工毫米级大尺寸超材料，亦可以加工纳米级高精度 (④耦合超材料与隐身技术。现有隐身技术是 超材料。结构功能涉及电磁波调控、传输、吸收、能量 通过减小作战平台对入射电磁波或声波的散射截面 转化等诸多方面，展现出了强大的电磁调控能力。展 进行隐身，而超材料则不再是反射或吸收波，而是改 望未来，跨尺度、多材料的超材料结构制造技术将引 变波的传播路线，使波发生弯曲，以达到绕射传播的 领未来超材料的发展方向， 而具有复杂结构一体化 目的，从而实现隐身。因为极少有能量产生后向散 制造能力的 四维打印技术将成为超材料结构 射，超材料可以达到最佳的隐身效果。在卫星通信 制造的核心技术网 业，借助智能电磁耦合超材料，采取全息技术实现对 超材料所涉及的内容很广泛，包括一一些光学超 目标卫星的动态电子扫描对准」 材料、声学超材料（与弹性振动波相应，用于操纵利 (⑤)新型传感型超材料与智能蒙皮。超材料的 利用声子传播) 、力学超材料（吸声介质 ,超黏滞 奇异性能在蒙皮技术领域得到快速拓展，在传感器 料)、热学超材料（调控热能的传输与转换）、声子品 技术领域已具有相关技术储备。 体（超高精度控制单个声子，进而对动态温差调控 (6)超材料制备与基因工程。在超材料新型设 等。 计与仿真中，大量的软件用于超材料的设计和计算 根据微结构单元类型和应用范围的不同，超材 但是每个软件都有其局限性 只能用于某些特殊务 料的关键技术可分为以下六大重点方向。 件下的计算。同时，对于不同学科的超材料进行研 (①)电磁超材料。电磁超材料包括数字可编程 究，材料的制备，表征和测量等实验技术相差很大 超材料、计算超材料、光开关超材料。这类超材料利 针对以上超材料发展的状况，很有必要将超材料纳 用其微结构单元类似于计算机的0、1开关属性， 入材料基因组计划，从而建成完整的超材料高通 行非周期莲列，以实现编程可控的响应输出。电磁超 的实验平台，为超材料的理论分析和计算提供实现 材料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线、电动 的技术基础，并为超材料的应用开发提供数据和资 机用新型磁性材料和电磁兼容中所使用的高性能叹 料。这将大大加快超材料从基础研究向应用研究转 收与屏蔽材料领域获得推广。新型的频率不敏感左 化的速度。 右手复合漏波扫描天线具有窗波束扫描、高增益和 易生产的优势。此外，LED头灯和红外成像夜视系 招材料的应用 统也是超材料的 用研究方向 ②机械超材料。机械超材料源于声学超材料 目前超材料可以应用于电磁领域、光学领域、月 弹性波的传播行为过程中。按所调控的弹性模量不 学理论、热学理论，行业包括通信行业、医疗行业、航 同可分为：超强超硬超材料、可调节刚度超材料、负 空航天行业军工行业、集成申路板（心行业，例如 压缩性超材料、反胀及拉胀超材料 智能超流 红外线雷达、吸波材料、纺织涂层等等，超材料还有 (③)热学超材料。热学超材料是近年来才提出 很大的发展空间。从电磁也就是微结构的角度对超 的新型热能利用和调控的超材料。白然界中的传给 材料讲行理解，再向电磁波讲行推广，可以衍生出绵 材料，其热导系数在空间均匀分布，热量从温度高的 码超材料、数字超材料和可编程超材料从航天工程 端直线流向温度低的 这是人们所熟知的热 实践等出发，目前进行的研究有有序微结构 包括填 传导模式。然而，如果能实现空间热导系数的非均匀 充材料的光晶体，当填充不同材料后，光晶体有了很 分布，通过对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实 多灵活性，加入电场调控，这样就可以做成人们想要 现对热流方向的调控作用。这种通过人工改造而实 的材料。航天领域的探素环包括具有激光防护作用 现热导系数非均匀分布的材料被称为热学超材 的智能热控材料。光 晶体在红外波段同时具有高 热学超材料是可感知外部热源、主动响应的人工复 反射率和高辐射率，可作为高超声速飞行器的隔热 装备机械69 1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
装 备 机 械 功能结构。纵观其发展历程，超材料一直在向着高应 用性的方向发展。应用领域从微波到红外再到光波 段，不断扩展适用频段。制造工艺从印刷电路板工 艺、机械加工工艺到三维打印和微纳制造，既可以加 工毫米级大尺寸超材料，亦可以加工纳米级高精度 超材料。结构功能涉及电磁波调控、传输、吸收、能量 转化等诸多方面，展现出了强大的电磁调控能力。展 望未来，跨尺度、多材料的超材料结构制造技术将引 领未来超材料的发展方向，而具有复杂结构一体化 制造能力的三维、四维打印技术将成为超材料结构 制造的核心技术[6]。 超材料所涉及的内容很广泛，包括一些光学超 材料、声学超材料（与弹性振动波相应，用于操纵和 利用声子传播）、力学超材料（吸声介质，超黏滞材 料）、热学超材料（调控热能的传输与转换）、声子晶 体（超高精度控制单个声子，进而对动态温差调控） 等。 根据微结构单元类型和应用范围的不同，超材 料的关键技术可分为以下六大重点方向。 （1）电磁超材料。电磁超材料包括数字可编程 超材料、计算超材料、光开关超材料。这类超材料利 用其微结构单元类似于计算机的 0、1 开关属性，进 行非周期阵列，以实现编程可控的响应输出。电磁超 材料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线、电动 机用新型磁性材料和电磁兼容中所使用的高性能吸 收与屏蔽材料领域获得推广。新型的频率不敏感左 右手复合漏波扫描天线具有宽波束扫描、高增益和 易生产的优势。此外，LED 头灯和红外成像夜视系 统也是超材料的应用研究方向。 （2）机械超材料。机械超材料源于声学超材料 弹性波的传播行为过程中。按所调控的弹性模量不 同可分为：超强超硬超材料、可调节刚度超材料、负 压缩性超材料、反胀及拉胀超材料、智能超流体。 （3）热学超材料。热学超材料是近年来才提出 的新型热能利用和调控的超材料。自然界中的传统 材料，其热导系数在空间均匀分布，热量从温度高的 一端直线流向温度低的一端，这是人们所熟知的热 传导模式。然而，如果能实现空间热导系数的非均匀 分布，通过对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实 现对热流方向的调控作用。这种通过人工改造而实 现热导系数非均匀分布的材料被称为热学超材料。 热学超材料是可感知外部热源、主动响应的人工复 合材料与结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换。 一般可分为两大类：控制热流和利用热能；用声子进 行信息传输和处理。热学超材料正在被研究用于控 制热量的定向辐射。 （4）耦合超材料与隐身技术。现有隐身技术是 通过减小作战平台对入射电磁波或声波的散射截面 进行隐身，而超材料则不再是反射或吸收波，而是改 变波的传播路线，使波发生弯曲，以达到绕射传播的 目的，从而实现隐身。因为极少有能量产生后向散 射，超材料可以达到最佳的隐身效果。在卫星通信行 业，借助智能电磁耦合超材料，采取全息技术实现对 目标卫星的动态电子扫描对准。 （5）新型传感型超材料与智能蒙皮。超材料的 奇异性能在蒙皮技术领域得到快速拓展，在传感器 技术领域已具有相关技术储备。 （6）超材料制备与基因工程。在超材料新型设 计与仿真中，大量的软件用于超材料的设计和计算。 但是每个软件都有其局限性，只能用于某些特殊条 件下的计算。同时，对于不同学科的超材料进行研 究，材料的制备、表征和测量等实验技术相差很大。 针对以上超材料发展的状况，很有必要将超材料纳 入材料基因组计划，从而建成完整的超材料高通量 的实验平台，为超材料的理论分析和计算提供实现 的技术基础，并为超材料的应用开发提供数据和资 料。这将大大加快超材料从基础研究向应用研究转 化的速度[7]。 3 超材料的应用 目前超材料可以应用于电磁领域、光学领域、声 学理论、热学理论，行业包括通信行业、医疗行业、航 空航天行业、军工行业、集成电路板（IC）行业，例如 红外线雷达、吸波材料、纺织涂层等等，超材料还有 很大的发展空间。从电磁也就是微结构的角度对超 材料进行理解，再向电磁波进行推广，可以衍生出编 码超材料、数字超材料和可编程超材料。从航天工程 实践等出发，目前进行的研究有有序微结构，包括填 充材料的光晶体，当填充不同材料后，光晶体有了很 多灵活性，加入电场调控，这样就可以做成人们想要 的材料。航天领域的探索还包括具有激光防护作用 的智能热控材料。光子晶体在红外波段同时具有高 反射率和高辐射率，可作为高超声速飞行器的隔热 国 内 外 动 态 Dynamic State at Home and Abroad Dynamic State at Home and Abroad 国 内 外 动 态 69
国内外动态 Dynam ic State at Home and Abroad 材料。超材料在通信、隐身领域也有很多重要的工程 用最广的光子品体产品。另一个典型例子是微波带 应用。这里面主要包括了隐身和电磁波的波数汇聚 隙天线。传统的微波带隙天线制备方法是将天线直 方面的技术，在实物方面则体现为天线、隐身装 接制备在介质基底上，这样就导致大量能量被基底 等。以陶瓷基为基础的超材料的研究目前也有了 所吸收，因而效率很低。例如，对一般用砷化家介质 定讲展，其发展方向主要是提高材料的强韧性，实西 作基底的天线反射器，98%的能量完全损耗在基底 纳米吸波界面的效应，制造出抗氧化、强韧、宽频吸 中，仅2%能量被发射出去，同时造成基底发热。 利 波型陶瓷基复合材料网。 用光子晶体作为天线的基底，此微波波段处在光子 超常的物理特性使得超材料的应用领域十分 品体的禁带中，因此基底不会吸收微波，这就实现了 泛，其应用范围涵盖了工业、军事、生活等各个方面 无损耗全反射，把能量全部发射到空中网。 尤其是电磁超材料，对将来的通信、光电子、微电了 3.2超分辨成像 先进制造产业，以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳 20o0年，Pendry提出利用负折射率材料可以克 能及微波能利用等技术产生深远的影响。 服传统光学成像所遇到的绕时极限间题，使在成像 超材料以实现那些传统材料很难。或是不 面上原木的不可解析变成可解析，并对此观点讲行 能实现的电磁特性， 可以获得普通材料没有的物型 了数值模拟。在此理论基础上，】 amg等于2005年设 性质，如左手特性、逆多普勒效应、逆折射效应、逆 计了一种银膜超级透镜，利用波长365nm的光源分 Cherenkov效应、完美透镜效应、逆Goos一Hnchen位 韩出了60nm的线宽，实现了λ/6的分辨率。2014 移第。在这些基础上，人们发现了超材料广阔的应用 年，崔铁军课颗组发明了一种基于超材料的折射率 前景，如超分辨成像、小型化天线」 电磁波隐形 电 梯度平板圆柱形结构聚焦透镜，将超材料在超分朔 吸波体、高灵敏探测器等。 成像中的应用推向了一个新高度。2015年，史绍蔑 3.1超材料在电子元件中的应用 等利用超材料单元通过三维打印的方法制作了一种 3】甚千左手材抖的新型微波器件 龙伯诱培反射器」 左手材料是近年来新发现的某些物理特性完 33 超材料在导弹装备领域中的应用 不同于常规材料的新材料，在电磁波某些频段能户 3.3.1 天线领城 生负介电常数和负磁导率，导致电磁波的传播方向 随若需达、通信等装备在导弹领域的应用需求 与能量的传播方向相反，产生逆多普勘效应、逆折射 不断增加，作为关健部件的天线，尤其是有源相控阵 效应，逆Cerenkov效应以及“完美透镜"等奇特的 线技术的发展变得更加重要 超材料以其奇特的 磁特性这些特性可望在信总技术、军事技术等领域 电磁特性，在天线设计领域发重大技术革新。雷达 获得重要应用。左手材料的这些特性使其在微波领 天线是超材料特种技术的主要应用方向之一，应用 域且右广阔的应用前是 方式是以超材料替代传统抛物面天线的反射面和设 31.2隐身斗篷与新型抗电磁千扰器件 十共形天线等新型态雷达天线 隐身斗篷的基本原理是：通过在物体表面包 .3.2 无源器件领域 一层具有特殊设计的，具有一定介电常数和磁导率 超材料可广泛应用于各类微波、光学器件和天 分布的材料，这样入射光或电磁波将被弯曲，并且绕 线，如微波平板聚焦透镜、滤波器、耦合器、移相器 过包覆层，从而出现隐身人的效果 通俗地讲，身 功分器、反相波导器件、放大器、诰振器等。这些器 隐身斗篷的人就好像在空间中挖开了一个洞，任何 可广泛应用于各种武器装备中，如可见光波段超材 光和电磁波将直接穿透这个洞，从而不会看到斗篷 料能够制作出突破衍射极限的透镜，也能够制造出 中隐藏的物质任何申磁信县都可以更为有效地 超灵敏单分子探测器，用以探测各种深埋于地下的 开干扰和阻隔，从而保持信号的完整性。 因此，隐 武器 斗篷在抗电磁干扰器件中具有广阔的应用前景。 此外，光子品体在光纤、微波天线、超棱镜等乃 3.1.3光子晶体光纤与光子晶体天钱 面也都有应用。这些新型光子品体器件是大规模集 光子晶体为各类无源光电器件的制备提供了理 成光路的基础，目前的研究已经开始向光子器件集 想的材料。己实现产业化的光子晶体光纤是目前应 成方向推进，这必将对人类的生产和生活产生深远 70No.22018 1994-2018hina Academic Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved. http:/www.cnki.net
No.2 2018 材料。超材料在通信、隐身领域也有很多重要的工程 应用。这里面主要包括了隐身和电磁波的波数汇聚 方面的技术，在实物方面则体现为天线、隐身装备 等。以陶瓷基为基础的超材料的研究目前也有了一 定进展，其发展方向主要是提高材料的强韧性，实现 纳米吸波界面的效应，制造出抗氧化、强韧、宽频吸 波型陶瓷基复合材料[8]。 超常的物理特性使得超材料的应用领域十分广 泛，其应用范围涵盖了工业、军事、生活等各个方面。 尤其是电磁超材料，对将来的通信、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产生深远的影响。 超材料可以实现那些传统材料很难，或是不可 能实现的电磁特性，可以获得普通材料没有的物理 性质，如左手特性、逆多普勒效应、逆折射效应、逆 Cherenkov 效应、完美透镜效应、逆 Goos－Hnchen 位 移等。在这些基础上，人们发现了超材料广阔的应用 前景，如超分辨成像、小型化天线、电磁波隐形、电磁 吸波体、高灵敏探测器等。 3.1 超材料在电子元件中的应用 3.1.1 基于左手材料的新型微波器件 左手材料是近年来新发现的某些物理特性完全 不同于常规材料的新材料，在电磁波某些频段能产 生负介电常数和负磁导率，导致电磁波的传播方向 与能量的传播方向相反，产生逆多普勒效应、逆折射 效应、逆 Cerenkov 效应以及“完美透镜”等奇特的电 磁特性。这些特性可望在信息技术、军事技术等领域 获得重要应用。左手材料的这些特性使其在微波领 域具有广阔的应用前景。 3.1.2 隐身斗篷与新型抗电磁干扰器件 隐身斗篷的基本原理是：通过在物体表面包覆 一层具有特殊设计的，具有一定介电常数和磁导率 分布的材料，这样入射光或电磁波将被弯曲，并且绕 过包覆层，从而出现隐身人的效果。通俗地讲，身穿 隐身斗篷的人就好像在空间中挖开了一个洞，任何 光和电磁波将直接穿透这个洞，从而不会看到斗篷 中隐藏的物质。任何电磁信号都可以更为有效地绕 开干扰和阻隔，从而保持信号的完整性。因此，隐身 斗篷在抗电磁干扰器件中具有广阔的应用前景。 3.1.3 光子晶体光纤与光子晶体天线 光子晶体为各类无源光电器件的制备提供了理 想的材料。已实现产业化的光子晶体光纤是目前应 用最广的光子晶体产品。另一个典型例子是微波带 隙天线。传统的微波带隙天线制备方法是将天线直 接制备在介质基底上，这样就导致大量能量被基底 所吸收，因而效率很低。例如，对一般用砷化镓介质 作基底的天线反射器，98%的能量完全损耗在基底 中，仅 2%能量被发射出去，同时造成基底发热。利 用光子晶体作为天线的基底，此微波波段处在光子 晶体的禁带中，因此基底不会吸收微波，这就实现了 无损耗全反射，把能量全部发射到空中[9]。 3.2 超分辨成像 2000 年，Pendry 提出利用负折射率材料可以克 服传统光学成像所遇到的绕射极限问题，使在成像 面上原本的不可解析变成可解析，并对此观点进行 了数值模拟。在此理论基础上，Fang 等于 2005 年设 计了一种银膜超级透镜，利用波长 365 nm 的光源分 辨出了 60 nm 的线宽，实现了 λ/6 的分辨率。2014 年，崔铁军课题组发明了一种基于超材料的折射率 梯度平板圆柱形结构聚焦透镜，将超材料在超分辨 成像中的应用推向了一个新高度。2015 年，史绍蕊 等利用超材料单元通过三维打印的方法制作了一种 龙伯透镜反射器。 3.3 超材料在导弹装备领域中的应用 3.3.1 天线领域 随着雷达、通信等装备在导弹领域的应用需求 不断增加，作为关键部件的天线，尤其是有源相控阵 天线技术的发展变得更加重要。超材料以其奇特的 电磁特性，在天线设计领域引发重大技术革新。雷达 天线是超材料特种技术的主要应用方向之一，应用 方式是以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。 3.3.2 无源器件领域 超材料可广泛应用于各类微波、光学器件和天 线，如微波平板聚焦透镜、滤波器、耦合器、移相器、 功分器、反相波导器件、放大器、谐振器等。这些器件 可广泛应用于各种武器装备中，如可见光波段超材 料能够制作出突破衍射极限的透镜，也能够制造出 超灵敏单分子探测器，用以探测各种深埋于地下的 武器。 此外，光子晶体在光纤、微波天线、超棱镜等方 面也都有应用。这些新型光子晶体器件是大规模集 成光路的基础，目前的研究已经开始向光子器件集 成方向推进，这必将对人类的生产和生活产生深远 国 内 外 动 态 Dynamic State at Home and Abroad Dynamic State at Home and Abroad 国 内 外 动 态 70
Dynam i State at Hom e and Abroad 国内外动态 的影响。 33.3天线罩设计领域 4 结束语 有试验提到将左手材料平面天线罩和阿基米德 螺旋天线结合起来进行测试，平面天线罩加入左手 超材料不但颠覆了人们长久以来的思维定势 材料后，天线的波束得到汇聚，增益大约提高了5 还极大地拓展了物质属性或材料参数的可设计域 B。因此可以把超材料应用在雷达、通信等系统 这无论是对于力学的结构设计，还是对于其它学科 天线罩上，在不改变天线罩外形的同时，可提高天线 的发展都只有极其重要的意义 增益和方向性。 34电家设计领 参考文献 随着导弹制导系统、控制系统、通信系统的发 展，电磁兼容问题也逐步成为导弹装备设计中的 [山王，张冉冉，吕浩，等超材料的发展及研究现状)青 个重要问题。超材料在电路中可以提高电子设备的 岛科技大学学报（自然科学0,2016,37(2）：119-126 电磁兼容性，实现了电路各部件间的去耦合，如抑制 [②]杜云峰，姜交来，廖俊生超材料的应用及制备技术研究 放大器的谐波影响，抑制高速数字信号线间的串扰 进展[.材料导报，2016.30(5)：115-121. 等。 [)江洪，王微，许露超材料研究及应用发展趋势)新材料 3.3.5隐身设计领域 产y业，2014(9)：9-11 「4们王总，朱文君，唐玲超材料技术发展概览几军民两用技 2006年，美国《科学》杂志报道了微波隐身衣 术与产品，2012(7D:27-29 这一隐身衣的原理就是利用超材料获得特定分布 闪冯一军，朱博，徐培华，等电磁超材料在微波吸波材料中的应用 折射率，实现了对电磁波传播方向的控制。光学和红 探0中国材料进展，2013,32⑧：473-480 外隐身同样是隐身领域的重要技术。随若探测手段 [句田小永，尹丽仙，李涤尘，三潍超材料制造技术现状与趋 的丰高，光学和红外探测也成为一种重要的预警 转几张由T得.2017.44(1)，60.77 测手段，那么红外隐身技术对导弹装备就显得非弹 「7刀于相龙，周济.智能超材料研究与进展团材料工程 2016.44月.110-128 重要了由于光学的全频段隐身目前还难以做到，随 81田恬.超材料：科技突破新机遇几科技导报，2016.34 着研究的不新深入，超材料的应用将会向更高频段 (18).79.80 延伸网。 网周济超材料在电子元件中的应用电子元件 超材料未来的发展方向如下：①对超材料的1 与材#.2008.27g,1.4 作频段和方向控制的研究：②超材料的产业化发 刘春义，拓字超材料及其在导弹装备领域中的应用 展：③新型铝材料及其功能的设计、性能优化及相 飞航导弹，20133)：81-85 关仿真方法：④不同超材料之间相互作用的研究 (编辑启德 (上接第44) 机壳体振动响应几.矿山机械，2017(3)：4-8 )郭猛.污水处理厂罗茨鼓风机噪声治理).环境保护与 [9]张一健.罗茨鼓风机创新结构设计及噪声治理刀.通用 循环经济.2009(12)：56-57 相城.2007()77.81 [阿宋健强.罗茨鼓风机转子各部间隙的分析与计算印.化 [10张性，赵水瑞，杨继峰.三叶罗茨鼓风机噪声源测试分 工机城，2010.37(0：697.701 析).化工装备技术，2013,34(2②：5-7,14. )王孚懋，李东敬，杨龙，等罗茨鼓风机转子系统动态特 [张海芹高温罗茨鼓风机的研发知，风机技术，2013④：49.52 性分析0.机械设计与制造，2010（⑤152-154. (编辑平平) [⑧】袁泽峰，胡水乐，卜素婷.气体压力脉动激励下罗茨鼓风 装备机械|7】 1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
装 备 机 械 [5] 郭猛. 污水处理厂罗茨鼓风机噪声治理[J]. 环境保护与 循环经济，2009（12）:56-57. [6] 宋健强. 罗茨鼓风机转子各部间隙的分析与计算[J]. 化 工机械，2010 , 37（6）:697-701. [7] 王孚懋，李东敬，杨龙，等. 罗茨鼓风机转子系统动态特 性分析[J]. 机械设计与制造, 2010（5）:152-154. [8] 袁泽峰，胡永乐，卜素婷. 气体压力脉动激励下罗茨鼓风 机壳体振动响应[J]. 矿山机械，2017（3）:4-8. [9] 张一健. 罗茨鼓风机创新结构设计及噪声治理[J]. 通用 机械，2007（3）:77-81. [10] 张哲，赵永瑞，杨继峰. 三叶罗茨鼓风机噪声源测试分 析[J]. 化工装备技术，2013，34（2）：5-7，14. [11] 张海芹.高温罗茨鼓风机的研发[J].风机技术，2013（4）：49-52. （编辑 平 平） （上接第 44 页） 的影响。 3.3.3 天线罩设计领域 有试验提到将左手材料平面天线罩和阿基米德 螺旋天线结合起来进行测试，平面天线罩加入左手 材料后，天线的波束得到汇聚，增益大约提高了 5 dB。因此可以把超材料应用在雷达、通信等系统的 天线罩上，在不改变天线罩外形的同时，可提高天线 增益和方向性。 3.3.4 电磁兼容设计领域 随着导弹制导系统、控制系统、通信系统的发 展，电磁兼容问题也逐步成为导弹装备设计中的一 个重要问题。超材料在电路中可以提高电子设备的 电磁兼容性，实现了电路各部件间的去耦合，如抑制 放大器的谐波影响，抑制高速数字信号线间的串扰 等。 3.3.5 隐身设计领域 2006 年，美国《科学》杂志报道了微波隐身衣， 这一隐身衣的原理就是利用超材料获得特定分布的 折射率，实现了对电磁波传播方向的控制。光学和红 外隐身同样是隐身领域的重要技术。随着探测手段 的丰富，光学和红外探测也成为一种重要的预警探 测手段，那么红外隐身技术对导弹装备就显得非常 重要了。由于光学的全频段隐身目前还难以做到，随 着研究的不断深入，超材料的应用将会向更高频段 延伸[10]。 超材料未来的发展方向如下：① 对超材料的工 作频段和方向控制的研究；② 超材料的产业化发 展；③ 新型超材料及其功能的设计、性能优化及相 关仿真方法；④ 不同超材料之间相互作用的研究。 4 结束语 超材料不但颠覆了人们长久以来的思维定势， 还极大地拓展了物质属性或材料参数的可设计域， 这无论是对于力学的结构设计，还是对于其它学科 的发展都具有极其重要的意义。 参考文献 [1] 王霞，张冉冉，吕浩，等.超材料的发展及研究现状[J].青 岛科技大学学报（自然科学版），2016，37（2）：119-126. [2] 杜云峰，姜交来，廖俊生.超材料的应用及制备技术研究 进展[J].材料导报，2016，30（5）：115-121. [3] 江洪，王微，许露.超材料研究及应用发展趋势[J].新材料 产业，2014（9）：9-11. [4] 王总，朱文君，唐玲.超材料技术发展概览[J].军民两用技 术与产品，2012（7）：27-29. [5] 冯一军，朱博，徐培华，等.电磁超材料在微波吸波材料中的应用 探索[J].中国材料进展，2013，32（8）：473-480. [6] 田小永，尹丽仙，李涤尘.三维超材料制造技术现状与趋 势[J].光电工程，2017，44（1）：69-77. [7] 于相龙，周济. 智能超材料研究与进展 [J]. 材料工程， 2016，44（7）：119-128. [8] 田恬.超材料：科技突破新机遇[J].科技导报，2016，34 （18）：79-80. [9] 周济.超材料（metamaterials）在电子元件中的应用[J].电子元件 与材料，2008，27（9）：1-4. [10] 刘春义，冯拓宇.超材料及其在导弹装备领域中的应用[J]. 飞航导弹，2013（3）：81-85. （编辑 启 德） 国 内 外 动 态 Dynamic State at Home and Abroad Dynamic State at Home and Abroad 国 内 外 动 态 71