技術分析報告

技術分析報告名稱:超材料姓名:寧國勛時間：2016年7月12日概述目前，超材料這一新生領域還沒有明確的定義，但是一般都理解為通過物理尺寸上有序結(jié)構(gòu)設計，具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料，如使波“繞過”材料表面實現(xiàn)聲學隱身、光學隱身以及電磁波隱身等，其關鍵是設計，包括設計某種亞波長級別的微結(jié)構(gòu)單元以及這些單元的排列規(guī)則，最終決定其物理特性（如介電常數(shù)、磁導率、體彈性模量和質(zhì)量密度等）的不是原材料本身的原子、分子或相互之間的作用，而是這些可與波相互作用的微結(jié)構(gòu)單元，以及這些單元按一定規(guī)則排列形成的相互作用關系。超材料技術在雷達、電子對抗等諸多裝備技術領域已經(jīng)展示了巨大的應用潛力和發(fā)展空間，其在隱身領域的研究也顯示具備戰(zhàn)略性重大突破的可能。美國、日本、英國等都已制定國家層面的超材料發(fā)展計劃，已開發(fā)出隱身蒙皮、可見光隱身衣等隱身產(chǎn)品。由此可見，充分利用超材料的設計思想可提升傳統(tǒng)材料的性能，實現(xiàn)傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的技術升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整，甚至可對一個行業(yè)產(chǎn)生顛覆性的效果。我國高度重視超材料技術的發(fā)展，也曾在863計劃、973計劃、國家自然科學基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。深圳光啟高等理工研究院經(jīng)過六年的發(fā)展，憑借在超材料領域的優(yōu)勢，參與了多個重點項目，成為軍民融合發(fā)展的典范，在我國超材料學術和產(chǎn)業(yè)化領域的領軍地位和標桿作用已得到廣泛認可。超材料電磁調(diào)制技術國家重點實驗室和全國電磁超材料技術及制品標準化技術委員會秘書處都設在光啟，光啟領銜制定的全球第一份超材料領域的國家標準《電磁超材料術語》將于2016年10月1日起實施。二、技術分析及案例1、杜克大學用“聲學斗篷”使物體在特定頻率聲波下“透明”在2007年和2008年卡默爾教授就從聲學散射的角度出發(fā)分別論證了二維和三維“聲學斗篷”制備的可行性，指出它能通過引導聲波繞過斗篷下的物體傳播，而使該物體在聲波下“透明”。盡管理論研究有較快進展，但聲學斗篷對聲學結(jié)構(gòu)設計和加工要求極為苛刻，實驗驗證方面進展較緩慢。最早在實驗室演示并驗證“聲學斗篷”的是美國伊利諾伊大學的教授尼古拉斯?方。2011年，他制備的二維“聲學斗篷”能使水下物體在超聲波波段（40kHz-80kHz）面前“遁形”。同年，卡默爾教授的團隊也開發(fā)出一種由一些帶孔的塑料板堆積成的二維的“聲學斗篷”，它能使250px長的木塊不被聲波（1KHz-4KHz）探測到。2013年杜克大學的卡默爾教授獲得了美國海軍一份為期五年的項目合同，旨在制備能夠產(chǎn)生、接收及控制聲波的設備。今年發(fā)明的三維“聲學斗篷”就是該項目資助的成果。該斗篷由一些具有重復排列小孔的塑料板組成，在頻率為3kHz的聲波下進行測試，表現(xiàn)出完美的隱身效果。2014年3月，美國杜克大學制造出世界上首個三維“聲學斗篷”，它是一種聲隱身裝置，能使聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑?，不反射也不透射，從而避免回波，實現(xiàn)對聲波隱身?！奥晫W斗篷”是美國海軍資助超材料項目的突破性成果，一旦工程化應用將徹底顛覆主動聲納探測定位的有效性，改變水下戰(zhàn)場的游戲規(guī)則。2、羅格斯大學提出了以“五模材料”的核心的聲隱身實現(xiàn)方式，開啟了聲隱身的另一種思路2008年，諾里斯教授從彈性力學的角度出發(fā)，論證了利用“五模材料”實現(xiàn)聲隱身的可行性。經(jīng)過2-3年的深入研究，諾里斯教授全面闡述了一種新的聲隱身超材料——“金屬水”，它是一種特殊的“五模材料”，對聲波幾乎不發(fā)生散射，能通過改變聲波的傳播路徑而實現(xiàn)物體的聲隱身，就像水流繞過障礙物繼續(xù)向前。目前已經(jīng)開始生產(chǎn)樣品，并在海軍研究實驗室進行水下測試。2012年在美國海軍資助下，諾里斯教授和韋德林格公司共同開發(fā)了“金屬水”水下聲隱身技術，通過在水下裝備的外部添加含聲學超材料的覆層，對聲波進行引導而使目標在主動聲納的探測下隱身。該技術將引起水下裝備隱身領域的變革，并最終改變水下戰(zhàn)場的作戰(zhàn)方式。該技術中的軟件技術已完成模擬環(huán)境下對分系統(tǒng)的驗證，材料技術完成了實驗室環(huán)境下對部件的驗證，整體概念中的關鍵概念通過了實驗驗證。3、中國研究者們制造除了了一種可調(diào)諧，密度接近于零的薄膜超材料，能夠有效地重建聲波的量子隧穿效應他們的最終產(chǎn)品，如在本周發(fā)表在美國物理聯(lián)合會出版的《應用物理雜志》中的論文所述，是一種有效密度接近于零（DNZ）的聲學“超材料”。這項工作可能會賦予傳輸網(wǎng)絡一些人們夢寐以求的性質(zhì)，如實現(xiàn)尖銳拐角的高傳輸，高效的切波分裂和聲波隱形。他們已經(jīng)使用這種膜網(wǎng)制造出了一個平面雙曲透鏡，這是一種補償通過透鏡所丟失的攜帶圖像精細細節(jié)的聲波的裝置。它可以為科學家們呈現(xiàn)物體的精細細節(jié)，如腫瘤，或者飛機機翼在工業(yè)檢測中的微小缺陷等，這些細節(jié)在以往的儀器中由于衍射極限的限制是被無法觀察到的。其他的應用還包括智能聲學結(jié)構(gòu)，如邏輯門，它可以通過改變聲波傳播的方向操控聲波，可應用于傳統(tǒng)電子器件和光子結(jié)構(gòu)不適用的極端環(huán)境中的通信系統(tǒng)。4、歐美發(fā)達國家，如美國、歐盟、日本等，都專門啟動了關于超材料天線的研究計劃，組織了眾多相關領域頂尖科學家，并給予高額的研究經(jīng)費支持Echodyne，一家位于西雅圖高科技公司，由微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨和保羅·艾倫共同出資成立，致力于開發(fā)新型高性能雷達，可被應用于自動駕駛汽車等。此項技術允許車輛在一定條件下完成獨立操作，實現(xiàn)自動駕駛。LamdaGuardInc是一家位于加拿大的科技創(chuàng)新公司，主要致力于透明光學薄膜的制備，但這一薄膜與眾不同的地方在于使用了超材料作為組成元素，可屏蔽特殊顏色和波長的光線。該薄膜已成功應用于視覺玻璃和透明塑料制品表面，如眼鏡、護目鏡和擋風玻璃等。EvolvTechnologies是一家位于波士頓的超材料公司，為IntellectualVentures剝離出來三家公司之一，另外兩家分別是Kymate和Echodyne。EvolvTechnologies的超材料產(chǎn)品主要是面向高端用戶的下一代毫米波安全成像系統(tǒng)，例如機場安檢掃描系統(tǒng)等。三、應用領域超材料超常的物理性質(zhì)和可以人工制備這兩大特性已讓它應用于當今社會的各大領域：汽車、軍事、能源、通信等。1、軍事許多國家在軍事方面投入巨大的人力物力財力，積極研發(fā)新技術應用于軍事武器，研發(fā)出可以隱身的超材料運用于戰(zhàn)斗機的制造，美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機、美國F-35“閃電Ⅱ”、俄羅斯PAKFAT-50戰(zhàn)斗機、日本ATD-X“心神”戰(zhàn)斗機等就是超材料運用于戰(zhàn)斗機的成功案例，這些戰(zhàn)斗機早已經(jīng)在戰(zhàn)場上威名遠揚，立下赫赫戰(zhàn)功。另外，機載的智能蒙皮天線運用超材料技術對人造“原子”進行組合設計，可逆向?qū)崿F(xiàn)材料對電磁場的任意響應。采用超材料智能蒙皮技術，能有效地縮減天線的尺寸，實現(xiàn)寬頻天線的共形設計，還可通過采用低成本的輕質(zhì)新型超材料，極大地提高飛機的雷達天線、隱身和氣動外形性能。2、汽車現(xiàn)如今汽車產(chǎn)業(yè)正朝著智能化方向飛速發(fā)展，通過在普通的汽車上裝備上先進的傳感器(雷達、攝像)、控制器、執(zhí)行器等裝置，就可以通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端實現(xiàn)人、車、路的信息交換，使汽車能夠感知外界環(huán)境，自動分析汽車行駛的安全及危險狀態(tài)，安全到達指定地點，達到最終可以替代人的目的。在這個思想的指導下，“智能蒙皮”應運而生，通過集成多個種類和數(shù)量的傳感器配合相機，可以同時顯示多輛車的速度、距離、角度等信息，有效地監(jiān)控道路車輛狀況。這種超材料技術可以顯著地改善交通擁堵狀況和減少交通事故的發(fā)生，是超材料成功的產(chǎn)業(yè)應用之一。3、能源“電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導電磁波螺旋式行進，直至被黑洞吸收，解決了基于引力場的黑洞很難在實驗室里模擬和驗證的難題。通過這個現(xiàn)象，可以研發(fā)出新的超材料為太陽能利用技術增加新的途徑，產(chǎn)生全新的光熱太陽能電池，還能應用于紅外熱成像技術，大幅度提高紅外信號探測能力。