近年來，在軍用天線等應(yīng)用領(lǐng)域，國外超材料技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。例如，英國BAE系統(tǒng)公司和倫敦瑪麗女王學(xué)院研制出一種新型超材料平面天線，利用超材料平面匯聚電磁波的特性，替代了傳統(tǒng)天線的拋物面反射器或球形“鏡頭”，實(shí)現(xiàn)了天線減重、小型化和帶寬擴(kuò)展、信號(hào)增強(qiáng)。超材料平面天線研制的突破可能使飛機(jī)、艦艇、無線電和衛(wèi)星等的天線設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大變革，進(jìn)而影響到這些武器平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

一、超材料的原理和特點(diǎn)

超材料（metamaterial）是指通過人為設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)特征單元及其排列位置和方式，在宏觀上表現(xiàn)出天然材料所不具備的某些超常物理性能的人工材料。從20世紀(jì)60年代開始，借助于計(jì)算材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，超材料研究首先在電磁領(lǐng)域開展，隨后快速拓寬到聲、光等領(lǐng)域。與常規(guī)材料相比，超材料具有以下三大特點(diǎn)。

超材料研制實(shí)現(xiàn)了材料設(shè)計(jì)模式的變革。超材料的研制方法采用從功能到結(jié)構(gòu)的“自上而下”的新穎逆向設(shè)計(jì)方法，可按功能實(shí)現(xiàn)基本特征微結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)及其排布的精確剪裁，突破了試湊法為主的傳統(tǒng)材料研發(fā)方法。

圖、超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型案例

超材料作用范圍可以橫跨整個(gè)波譜頻段。理論上，針對(duì)不同的波長，都可以設(shè)計(jì)出在此波譜范圍起作用的超材料。結(jié)構(gòu)特征單元的尺度及形貌由工作波段的波長決定。典型的超材料有對(duì)光起作用的光子晶體，其單元大小在納米和微米量級(jí)；對(duì)電磁起作用的左手材料、超磁材料，其單元大小在微米到厘米量級(jí)；對(duì)聲波起作用的聲子晶體、金屬水，其單元大小在厘米到米量級(jí)。

圖、不同工作頻段超材料的基本特征結(jié)構(gòu)單元

超材料具備超常的物理性質(zhì)。這些性質(zhì)包括負(fù)折射、反多普勒效應(yīng)、反常光壓等。以電磁性能為例，傳統(tǒng)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均大于零，而超材料可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)值，從而具備負(fù)折射率。此時(shí)，電磁波在超材料界面上發(fā)生負(fù)折射，即波的折射發(fā)生反向。除傳統(tǒng)電磁波外，還可利用超材料對(duì)光、聲波的傳播方向進(jìn)行控制。

圖、電磁超材料可以具有負(fù)折射率性質(zhì)

圖、超材料對(duì)光的負(fù)折射現(xiàn)象

二、超材料國外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用進(jìn)展

從國外公開信息判斷，目前超材料尚處于基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究階段。進(jìn)入新世紀(jì)以來，在基本原理發(fā)現(xiàn)及武器裝備應(yīng)用方面的重大研究成果頻出，顯示了提升武器裝備性能的巨大潛力及良好發(fā)展前景。2010年美國《科學(xué)》雜志將超材料評(píng)為過去2000年以來人類十大科技突破之一。美、日、俄等國及美國波音、雷神公司等企業(yè)高度重視超材料研究，給予長期支持。2012年，美國國防部長辦公廳將超材料列為六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一；美空軍研究實(shí)驗(yàn)室將超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”；美海、陸、空軍共支持了90多家企業(yè)進(jìn)行超材料應(yīng)用研究。日本政府也將超材料列入新學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，成立了由東北大學(xué)、東北工業(yè)大學(xué)及國立研究所等牽頭的電磁超材料研究會(huì)，并在2012年明確表示在下一代戰(zhàn)斗機(jī)中使用超材料技術(shù)；此外有報(bào)道顯示，俄羅斯也將超材料技術(shù)列為其在研的第五代戰(zhàn)斗機(jī)PAK FA的關(guān)鍵技術(shù)。

從目前國外研究進(jìn)展來看，超材料可能首先在以下四個(gè)方面得到軍事應(yīng)用。

1．實(shí)現(xiàn)軍機(jī)寬頻隱身和潛艇聲隱身

傳統(tǒng)軍機(jī)隱身主要依賴于外形及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和吸波隱身（如采用雷達(dá)吸波材料），超材料隱身技術(shù)突破了傳統(tǒng)的吸波隱身概念，合理設(shè)計(jì)的超材料具備人為控制的電磁折射率，從而控制電磁波的傳播方向，通過“扭曲”電磁波達(dá)到隱身效果。2006年美國杜克大學(xué)研制出首款在微波頻段內(nèi)工作的二維隱身斗篷，工作頻率為8.5吉赫；2012年美國東北大學(xué)采用摻雜鈧的M類型鋇鐵氧體薄片與銅線組合，設(shè)計(jì)和制備了可在36～44吉赫電磁波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)負(fù)折射率的超材料。在光隱身方面，2012年俄羅斯和丹麥研究人員使用摻雜鋁的氧化鋅制備了在近紅外波段隱身的新型Al：ZnO/ZnO材料。超材料還可用于其它武器裝備的隱身。例如，2011年西班牙國家研究委員會(huì)開發(fā)出用于水下目標(biāo)的二維聲學(xué)“隱身衣”；2014年3月美國杜克大學(xué)研制出世界首個(gè)三維聲隱身斗篷原型，可以在任何角度讓聲波繞過。

圖、超材料隱身“斗篷”的原理圖。（a）沒有覆蓋超材料時(shí)，波遇到對(duì)象，產(chǎn)生反射，因而被探測到；（b）覆蓋了超材料的對(duì)象，電磁波傳播方向發(fā)生改變，繞過對(duì)象繼續(xù)傳播，從而實(shí)現(xiàn)隱身

圖、美國杜克大學(xué)開發(fā)出的首個(gè)在微波波段工作二維隱身斗篷

圖、美國杜克大學(xué)開發(fā)的首個(gè)三維隱身聲學(xué)斗篷

2．用于雷達(dá)罩，實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)高透波/帶外高截止

軍、民用航空器上采用傳統(tǒng)透波材料制成的雷達(dá)罩往往會(huì)因?yàn)闊釗p耗和反射損耗等因素使天線的輻射方向圖變差，降低雷達(dá)性能。如在雷達(dá)罩中引入超材料覆層，無需特別設(shè)計(jì)雷達(dá)罩外形，就可能使電磁波只能在雷達(dá)罩垂直面附近的小角度內(nèi)傳播，而其它方向的傳播被限制，增強(qiáng)了天線的聚焦性和方向性，并可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身。2008年，法國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種開口環(huán)共振器結(jié)構(gòu)的超材料雷達(dá)罩，其操作頻率為2.17兆赫，使增益提高了3.4分貝，方向性提高了2.9分貝。2012年，美國國防部通過小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目資助納米聲學(xué)公司開展有關(guān)E-2預(yù)警機(jī)大型雷達(dá)罩材料研究，目的是利用超材料技術(shù)解決E-2原天線罩存在的結(jié)構(gòu)肋導(dǎo)致天線圖產(chǎn)生偏差的問題。德國航宇研究中心也研制出工作頻帶在36.9吉赫的超材料雷達(dá)罩，實(shí)現(xiàn)了高帶通。

圖、高透波超材料雷達(dá)罩

3．革新傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)，制作小型超輕的寬頻天線

現(xiàn)代軍、民用航空器對(duì)探測、通信等能力提出了更高的需求，天線小型化和輕量化是發(fā)展的必然趨勢。將超材料應(yīng)用到天線的饋電網(wǎng)絡(luò)、輻射單元和輻射背景等基本構(gòu)成組件上，可大大降低天線能耗、提高天線增益、拓展天線工作帶寬、增強(qiáng)信號(hào)的方向性。2012年，印度國家技術(shù)研究所采用左手和右手結(jié)合的傳輸線型超材料設(shè)計(jì)了橢圓形零階諧振天線，目的是解決零階諧振天線帶寬較窄的問題。這種天線由兩個(gè)橢圓形單元組成，工作頻率范圍為4.7～4.9兆赫。試驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率為4.88兆赫的情況下，天線的帶寬、增益和輻射效率分別提高5%、2.1分貝和65.9%，呈現(xiàn)出較好的低剖面、寬帶和低輻射特性。2014年4月，BAE系統(tǒng)公司采用一種新型功能性復(fù)合材料制成的超材料，開發(fā)出可以匯聚電磁波的超材料平面。用超材料平面替代傳統(tǒng)拋物面天線的反射面，可使天線形狀更流線化、尺寸小型化、設(shè)備減重；可對(duì)電磁參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，控制波的傳播方向，壓縮波束寬度，提高了天線的增益；其測試帶寬從1～2吉赫到18～20吉赫，可實(shí)現(xiàn)多頻操作，故可用一副天線替換多副天線，為軍機(jī)設(shè)計(jì)和降低雷達(dá)截面積帶來新選擇。BAE系統(tǒng)公司由此成為世界首家成功應(yīng)用超材料，在不損失任何帶寬性能的情況下完成傳統(tǒng)曲面天線功能的企業(yè)。

圖、英國BAE公司利用超材料平面透鏡原理開發(fā)出平面天線

4．改寫傳統(tǒng)光學(xué)衍射定律，創(chuàng)造軍用光學(xué)超薄高分辨透鏡

傳統(tǒng)的顯微鏡、眼鏡以及放大鏡無法觀測到尺寸小于光波長度的物體。超材料制成的“理想透鏡”突破了傳統(tǒng)透鏡的衍射極限，能對(duì)電磁波近場進(jìn)行成像，從而獲得遠(yuǎn)小于波長的超高分辨能力，極大地提高透鏡成像的分辨力。2012年，美國密歇根大學(xué)完成了一種新型超材料超級(jí)透鏡研究，可用于觀察尺寸小于100納米的物體，且工作性能在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜范圍內(nèi)均良好。2013年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院展示了一種由銀和二氧化鈦納米交替覆蓋制作成型的超材料平板透鏡。這種超材料透鏡制作簡單，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的最短波長，可實(shí)現(xiàn)約兩個(gè)紫外光波長距離內(nèi)的折射，可以彎曲并聚焦紫外線，呈現(xiàn)浮在自由空間中的物體的三維圖像。

圖、（a）超材料透鏡能對(duì)所有電光源成像；（b）超材料透鏡也能對(duì)衰減波放大成像；（c）超材料光學(xué)透鏡的實(shí)驗(yàn)演示。上端：帶有超材料透鏡的原子力顯微鏡圖像，線寬89納米，下端：沒有超材料透鏡的原子力顯微圖像，線寬321.1納米

三、超材料的主要技術(shù)難點(diǎn)分析

雖然超材料具有廣闊的應(yīng)用前景，但為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，尚有許多技術(shù)難點(diǎn)有待解決，主要包括以下三個(gè)方面。

超材料的小尺度加工精度有待提高。對(duì)在可見光和紅外波段工作的超材料，其微結(jié)構(gòu)單元尺度在微米、甚至納米級(jí)，現(xiàn)有的加工設(shè)備和工藝還難以對(duì)其進(jìn)行精確制造，更難以批量生產(chǎn)，近年微尺度增材制造（3D打印）技術(shù)快速發(fā)展，加工精度已可達(dá)50納米，這一難題有望得到逐步解決。

超材料的工作頻段需要拓寬。現(xiàn)有超材料研究一般局限于某一個(gè)波段范圍，發(fā)展同時(shí)具備可見光、紅外、雷達(dá)波等多個(gè)頻段及聲波隱身功能的蒙皮/殼體或多個(gè)發(fā)射頻段的超材料天線，對(duì)于新型軍機(jī)等武器裝備意義重大。

超材料的尺寸需擴(kuò)展到三維。受設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的難度所限，現(xiàn)有超材料的研究一般局限在二維結(jié)構(gòu)，只能讓超材料在某一個(gè)固定的角度對(duì)波起作用，但未來武器裝備必然要求超材料制成的“隱身斗篷”具備全向隱身功能。

四、結(jié)束語

從超材料的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用前景分析中，可以得出以下三點(diǎn)啟示。

· 超材料是材料開發(fā)設(shè)計(jì)模式的創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)以化學(xué)成分設(shè)計(jì)調(diào)控材料性能的設(shè)計(jì)模式，轉(zhuǎn)而從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)材料的超常性能。

· 超材料的設(shè)計(jì)對(duì)象可以是金屬材料、非金屬材料，也可以是復(fù)合材料，大大放寬了材料設(shè)計(jì)的自由度，其設(shè)計(jì)方法適用于所有材料。

· 超材料可實(shí)現(xiàn)常規(guī)天然材料所不具備的超常物理性能，擴(kuò)展了設(shè)備功能，由此可帶來航空武器裝備的性能提升和設(shè)計(jì)自由度的放寬，一旦投入全面應(yīng)用，將會(huì)帶來軍、民用航空器及其他工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變革。

作者：航空工業(yè)發(fā)展研究中心  胡燕萍

作者簡介：

胡燕萍，航空工業(yè)發(fā)展研究中心青年學(xué)者，國防材料情報(bào)研究專家。長期跟蹤國外國防材料領(lǐng)域研究進(jìn)展，準(zhǔn)確掌握國外國防材料戰(zhàn)略發(fā)展動(dòng)向和國防軍用材料技術(shù)進(jìn)展，對(duì)國外國防關(guān)鍵材料技術(shù)及新興材料技術(shù)有深入的研究和獨(dú)到見解。