超材料技术----开启人类调制材料性能的新时代

超材料，不论是它的名称还是它涉及的技术，听起来都十分魔幻，超出普通人的想象。本只是简单介绍一下，如果还不能理解，只能自己百度了。

1.什么是超材料技术？

1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格首先提出了超材料的概念。一般献中给出超材料的定义是&34;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。&34;

超材料的特征具有新奇人工结构的复合材料；具有常规（或传统）材料不具备的超常物理性质；超常物理性质主要由新奇的人工结构决定；新奇的人工结构包括单元结构（人工子和人工分子）和单元结构集合而成的复合结构两个层次。

举个简单例子大家就明白了。光射入水中折射路径如上图的左边所示，但研究发现如果水的介电常数和磁导率都被调整为负值时，光射入水中的折射路径就如上图的右边所示。这种介电常数和磁导率都为负值的水在自然界中是不存在的，但通过人为地改变水的分子结构形式，就能使水具有天然水所不具备的超常物理性质，这就被称为超材料。

通俗地说超材料是指通过人工改变或重新设计天然材料的微结构，使其具备天然材料所不具备的超常物理功能（如在声学方面、电学方面、磁学方面、光学方面等）的复合材料。

与以往的创新是根据自然界有什么材料，就制作什么样的产品不同，超材料完全是逆向思维，是根据不同的应用需求，制造具备特定性能的材料，真正做到&34;按需定制&34;。比如，如果客户要求材料具有电磁波隐身功能，生产商不是通过改进已有的隐身涂料来实现材料的隐身，而是通过算法设计，重新排布功能性材料的微结构单元，让材料本身具备隐身性能。

超材料涉及众多学科领域，如电子工程、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，是全球最前沿的最具有战略性意义的研究课题。

2.超材料技术将使人类拥有海量的物质基因

近现代物理学告诉我们，宇宙万物都是由物质组成的，而任何物质的内部结构都有丰富的层次。具体来说物质由分子和子组成，子由子核和电子组成，剖开子核，里面是质子和中子。而质和中子的内部是夸克，夸克可能还有更深层次的内部结构。

大自然改造物质的方式大自然通过控制子核层次，调整质子与中子的数量来生成新物质，比如说金的子核包含79颗质子和118颗中子，如将质子数减少到47颗，中子数减少到61颗，大自然就可以将金子变为银子并改变其颜色。

人类改造物质的方式科学家通过纳米层次上的人工设计，可以更加灵活地控制物质属性，比如说将纳米金颗粒加工为三角形，24K纯金就呈现为红色，进一步将其加工为五边形，24K纯金也可以呈现绿颜色。

超材料技术的核心就是，在大自然控制的层次以外，进行物质的人工操控，实现远超自然界物质的性能。

超材料技术的出现，颠覆了传统意义上的折射定律、反射定律，比如说它可以使电磁波往反向反射，也可以往指定方向反射。可以定制化的扭曲空间，使无数不可能成为可能。

自然界目前只有有限的118种元素，而人类已经创建了多达500亿种微结构的人造物质基因库，未来人类能够使用海量的物质基因，用超材料编码实现全新的未来装备。通过人造物质创造飞机、舰船、汽车以及机器人，并随心所欲地定制未来的美好产品和生活。

3.超材料的应用方向

具体来说，目前超材料的研究有两大方向。

（1）电磁超材料

电磁超材料是目前超材料研究的主要方向，它将使人类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、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。

隐身衣就是电磁超材料迄今为止研究最为集中的方向，其重要应用价值大家不言自明。

&34;电磁黑洞&34;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。

（2）常规材料的超材料

如将超材料设计思想应用于常规材料，比如说超导材料、石墨烯、碳纤维、钛合金，甚至钢、铁、陶瓷等常规材料，可在显著提高常规材料综合性能的同时，还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。

超材料的应用前景及光启的超材料在我国尖端装备方面的应用

近年来，中国尖端装备行业正向数字化、网络化、智能化迈进，以光启的超材料技术为代表的先进技术正带来众多颠覆式创新，引领产业界大变革。

中国是什么时候和以什么方式支持开展超材料研究的，目前没有到相关资料。但从2019年12月召开的中国第一届超材料会议上光启公布的一组超材料数据可以出一端倪在2012~2019年光启共制造了15.24吨的超材料，其中有7.2吨用于2012~2016年期间。2017年光启收购光启尖端时曾公布了光启尖端参与的30个国防研制项目的情况。

2015年11月，中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所(以下简称&34;611所&34;)与光启在成都签署了《航空工业成都飞机设计研究所与【光启技术(002625)、股吧】股份有限公司先进航空功能与结构产品合作开发协议》，正式成为战略合作伙伴关系。

611所是中国航空工业集团公司直属科研单位，主要从事有人战斗机、无人机、临近空间飞行器等航空器的设计与研究工作，同时开展各类航空预研课题的研究。611因其雄厚的科研实力，齐全的专业设置，涵盖飞机设计、试验验证和技术支持三大领域，是我国飞行器设计的领先单位。

根据公告，611和光启将加强在航空技术、国防安全、超材料技术及产品、先进天线、雷达电子、通情报、数据链、装备红外技术及产品、隐身技术及无人机智能结构等领域的合作，共同进行产品的研发、推广和应用，推进产品改良与升级。促进超材料在军品和民品等领域的应用。并将进行国家重项目、前瞻性预研项目等领域的联合研究，从战略层面拓展合作空间。

2.隐身技术在高端战机上的应用

精确制导武器的广泛应用，意味着战场目标&34;发现即可命中&34;，使武器装备系统、尖端设施、作战部队生存能力及作战效能受到严重威胁。伪装和隐身技术作为反侦察手段，已成为战场上必不可少的部分。因此超材料首先使用在国防装备的隐身方面。

（1）涂料隐身与超材料隐身的区别

目前全球最先进的战机隐身技术有两大类，一类是采用涂料隐身，另一类是采用超材料隐身。

传统的雷达吸波涂料最多只能覆盖到S波段。因为雷达吸波涂料受其工作理限制，隐身频段和涂层厚度相关，其最大工作波长最多只能达到涂层厚度的十分之一左右。而在作战飞机上能够涂装的吸波涂料厚度是有限制的，这就导致传统的雷达吸波涂料无法实现对L及以上波段的雷达波的隐形。这就是我国先进米波雷达早在2013年就可以在四五百公里外连续跟踪F22的根本因。

超材料将人类隐身技术带入了一个新时代它既不是让电磁波反射，也不是让电磁波吸收，而是通过在物体表面覆盖特殊的超材料，引导着被物体阻挡的电磁波绕着走，从而实现完美隐身。相对于传统的雷达吸波涂料，超材料隐身技术首先是覆盖频带宽，能够覆盖1-18GHZ频段，也就是大部分军用雷达常用频段，甚至可以覆盖更宽的范围，比如太赫兹频段。其次是由于隐身材料本身就做成飞机的结构件，使它的维修成本非常低，不会出现涂层那种脱落或起皮现象。

中国的歼20使用的是光启生产的超材料隐身薄膜，该机正面雷达反射截面积为0.027平方米，远优于F-35 的0.038平方米。而且该机机库里不用空调和加湿器，还可以露天停放，使用和维护费用相对低廉很多。据说歼20机身上这层超材料不仅可以让雷达波绕着走，从而探测不到飞机，而且还能收集敌方的电磁波号从而可以反向定位雷达，可以对雷达发动超视距攻。

据说歼20在西北军演中隐身功夫令军方震撼，歼10飞到半空中不管如何用雷达照射就是发现不了附近的歼20!

在2019年12月举办的第一届超材料大会上，光启现场公布歼20与F22一项测试数据的对比数据，&34;超材料研制阶段，RCS曲线测试了64万条，高达13600小时，超过了F-22研制过程中所有详细部件RCS测试10000小时的记录&34;，这表明光启技术所研制的超材料作为尖端装备的隐身解决方案，已然经受过比F-22规定标准更加严苛的测试。

RCS为Radar-Cross Section(雷达散射截面积)，是测试战机等装备隐身能力关键核心技术指标，它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度或散射截面积。由于尖端装备隐身与反隐身技术需要，须通过RCS技术进行测试试验来指导设计和改进武器装备，提高隐身性能，以应对雷达侦察、监视、跟踪与目标识别。

3.我国海陆空和战略导弹等尖端装备都有隐身要求

在军事装备领域，隐身技术的领先可以取得不对称的战略优势。除了各类航空航天器有隐身要求以外，水面和水下的各种舰艇，地面的坦克火炮甚至士兵（隐身衣）都有隐身需求。

现在超材料在国防方面的应用，已经不是单纯的材料应用了，而是完全融合到国防装备的器件中。比如说我国的先进飞机和大型无人机的一部分部件，在设计阶段就进行一体化设计，在保留传统的结构、承载功能的同时，还增加了隐身、传感等功能，让装备的电磁调制性能成数量级提升的同时，还从根本上解决了传统涂料维护困难的问题，让装备的全寿命周期综合成本降低50%。

关于这一，大家下面这两幅图就能理解了。

图超材料制作的隐身进气道 图超材料制作的隐身格栅

我国是武器装备数量大国，其中军用飞机位列全球第三，军舰和坦克数量则位列全球第一。因此我国整个军事装备领域，从航空航天器到水面舰艇和水下潜艇，到陆地上的坦克火炮甚至士兵，都有隐身的需求，因此它的市场需求是十分庞大的。

4.超材料在我国海洋装备的应用

2019年1月份，光启发布《关于签订超材料舰艇隐身结构产品批产合同的公告》，合同金额2040万元。这是&34;光启技术签订的超材料舰艇隐身结构产品的首个批产合同，意味着光启技术具备新一代隐身技术的超材料尖端装备不仅在航空装备应用领域逐步实现批产，还在舰艇应用领域取得了突破性进展。&34;

这只是光启技术的超材料在我国尖端海洋装备国防领域的应用，在市场规模更为广大的海洋装备民用领域，光启技术也拉开了大规模应用的序幕。

2019年10月，由自然资源部、广东省政府主办，深圳市政府承办的中国唯一的海洋经济博览会上，光启展示一系列超材料海洋装备，主要包括四个系列，分别为——水下尖端装备蓝遁系列、水面尖端装备定方系列，舰载航空装备寄奴系列、远洋卫星通苏武系列。

蓝遁系列属于水下装备，可在海洋环境中长期稳定工作并有效调制电磁波；定方系列则是水面舰艇上层建筑结构的超材料技术，实现了舰艇在复杂电磁环境中去遮挡干扰；寄奴系列是舰载航空装备的核心技术产品系列，为海洋蓝天提供了具备强大电磁功能的航空结构支撑；苏武系列远洋卫星通天馈系统则比国际允许出售给中国的同类产品尺寸缩减50%，适用于不同类型的舰艇。

光启的超材料技术对我国的海洋尖端装备在电磁增强、电磁干扰、抗腐蚀、抗盐雾、抗强紫外线等方面的升级具有重要战略意义，尤其是以蓝遁为代表的系列海洋技术和产品摆脱了国外对一揽子技术的封锁。

据光启介绍，高尖端材料的售卖，通常是个性化定制的，不是货架产品，交易时间比较漫长，技术门槛也比较高，但是一旦进入装备的生命周期管道，通常来说也会比较稳定。这个生命周期管道分为研制、小批量试产、批量生产等环节。海博会展出的四大系列超材料，已经自2013年起陆续地在海洋设备上应用。这意味着光启技术涉足的装备领域，从漫长的研发投入开始进入回收周期。

据相关人士透露，定方、蓝遁系列产品已与中船重工旗下企业签订千万级大单。