近年來，在軍用天線等應用領域，國外超材料技術取得了突破性進展。例如，英國BAE系統公司和倫敦瑪麗女王學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，替代了傳統天線的拋物面反射器或球形“鏡頭”，實現了天線減重、小型化和帶寬擴展、信號增強。超材料平面天線研制的突破可能使飛機、艦艇、無線電和衛星等的天線設計產生重大變革，進而影響到這些武器平臺的設計。

一、超材料的原理和特點

超材料（metamaterial）是指通過人為設計微結構特征單元及其排列位置和方式，在宏觀上表現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60年代開始，借助于計算材料科學和計算機技術的快速發展，超材料研究首先在電磁領域開展，隨后快速拓寬到聲、光等領域。與常規材料相比，超材料具有以下三大特點。

超材料研制實現了材料設計模式的變革。超材料的研制方法采用從功能到結構的“自上而下”的新穎逆向設計方法，可按功能實現基本特征微結構單元的設計及其排布的精確剪裁，突破了試湊法為主的傳統材料研發方法。

圖、超材料結構設計的典型案例

超材料作用范圍可以橫跨整個波譜頻段。理論上，針對不同的波長，都可以設計出在此波譜范圍起作用的超材料。結構特征單元的尺度及形貌由工作波段的波長決定。典型的超材料有對光起作用的光子晶體，其單元大小在納米和微米量級；對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；對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。

圖、不同工作頻段超材料的基本特征結構單元

超材料具備超常的物理性質。這些性質包括負折射、反多普勒效應、反常光壓等。以電磁性能為例，傳統材料的介電常數和磁導率均大于零，而超材料可以實現介電常數和磁導率均為負值，從而具備負折射率。此時，電磁波在超材料界面上發生負折射，即波的折射發生反向。除傳統電磁波外，還可利用超材料對光、聲波的傳播方向進行控制。

圖、電磁超材料可以具有負折射率性質

圖、超材料對光的負折射現象

二、超材料國外技術發展狀況及應用進展

從國外公開信息判斷，目前超材料尚處于基礎研究及應用研究階段。進入新世紀以來，在基本原理發現及武器裝備應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展前景。2010年美國《科學》雜志將超材料評為過去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研究領域之一；美空軍研究實驗室將超材料列入“十大關鍵領域”；美海、陸、空軍共支持了90多家企業進行超材料應用研究。日本政府也將超材料列入新學術領域研究的重點，成立了由東北大學、東北工業大學及國立研究所等牽頭的電磁超材料研究會，并在2012年明確表示在下一代戰斗機中使用超材料技術；此外有報道顯示，俄羅斯也將超材料技術列為其在研的第五代戰斗機PAK FA的關鍵技術。

從目前國外研究進展來看，超材料可能首先在以下四個方面得到軍事應用。

1．實現軍機寬頻隱身和潛艇聲隱身

傳統軍機隱身主要依賴于外形及細節設計和吸波隱身（如采用雷達吸波材料），超材料隱身技術突破了傳統的吸波隱身概念，合理設計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”電磁波達到隱身效果。2006年美國杜克大學研制出首款在微波頻段內工作的二維隱身斗篷，工作頻率為8.5吉赫；2012年美國東北大學采用摻雜鈧的M類型鋇鐵氧體薄片與銅線組合，設計和制備了可在36～44吉赫電磁波段內實現可調負折射率的超材料。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開發出用于水下目標的二維聲學“隱身衣”；2014年3月美國杜克大學研制出世界首個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，波遇到對象，產生反射，因而被探測到；（b）覆蓋了超材料的對象，電磁波傳播方向發生改變，繞過對象繼續傳播，從而實現隱身

圖、美國杜克大學開發出的首個在微波波段工作二維隱身斗篷

圖、美國杜克大學開發的首個三維隱身聲學斗篷

2．用于雷達罩，實現帶內高透波/帶外高截止

軍、民用航空器上采用傳統透波材料制成的雷達罩往往會因為熱損耗和反射損耗等因素使天線的輻射方向圖變差，降低雷達性能。如在雷達罩中引入超材料覆層，無需特別設計雷達罩外形，就可能使電磁波只能在雷達罩垂直面附近的小角度內傳播，而其它方向的傳播被限制，增強了天線的聚焦性和方向性，并可實現雷達隱身。2008年，法國科學家設計了一種開口環共振器結構的超材料雷達罩，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技術轉移項目資助納米聲學公司開展有關E-2預警機大型雷達罩材料研究，目的是利用超材料技術解決E-2原天線罩存在的結構肋導致天線圖產生偏差的問題。德國航宇研究中心也研制出工作頻帶在36.9吉赫的超材料雷達罩，實現了高帶通。

圖、高透波超材料雷達罩

3．革新傳統天線設計，制作小型超輕的寬頻天線

現代軍、民用航空器對探測、通信等能力提出了更高的需求，天線小型化和輕量化是發展的必然趨勢。將超材料應用到天線的饋電網絡、輻射單元和輻射背景等基本構成組件上，可大大降低天線能耗、提高天線增益、拓展天線工作帶寬、增強信號的方向性。2012年，印度國家技術研究所采用左手和右手結合的傳輸線型超材料設計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。這種天線由兩個橢圓形單元組成，工作頻率范圍為4.7～4.9兆赫。試驗結果表明，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%，呈現出較好的低剖面、寬帶和低輻射特性。2014年4月，BAE系統公司采用一種新型功能性復合材料制成的超材料，開發出可以匯聚電磁波的超材料平面。用超材料平面替代傳統拋物面天線的反射面，可使天線形狀更流線化、尺寸小型化、設備減重；可對電磁參數進行調整，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，可實現多頻操作，故可用一副天線替換多副天線，為軍機設計和降低雷達截面積帶來新選擇。BAE系統公司由此成為世界首家成功應用超材料，在不損失任何帶寬性能的情況下完成傳統曲面天線功能的企業。

圖、英國BAE公司利用超材料平面透鏡原理開發出平面天線

4．改寫傳統光學衍射定律，創造軍用光學超薄高分辨透鏡

傳統的顯微鏡、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”突破了傳統透鏡的衍射極限，能對電磁波近場進行成像，從而獲得遠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，美國密歇根大學完成了一種新型超材料超級透鏡研究，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均良好。2013年，美國國家標準與技術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，實現了創紀錄的最短波長，可實現約兩個紫外光波長距離內的折射，可以彎曲并聚焦紫外線，呈現浮在自由空間中的物體的三維圖像。

圖、（a）超材料透鏡能對所有電光源成像；（b）超材料透鏡也能對衰減波放大成像；（c）超材料光學透鏡的實驗演示。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、超材料的主要技術難點分析

雖然超材料具有廣闊的應用前景，但為實現大規模生產應用，尚有許多技術難點有待解決，主要包括以下三個方面。

超材料的小尺度加工精度有待提高。對在可見光和紅外波段工作的超材料，其微結構單元尺度在微米、甚至納米級，現有的加工設備和工藝還難以對其進行精確制造，更難以批量生產，近年微尺度增材制造（3D打印）技術快速發展，加工精度已可達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。現有超材料研究一般局限于某一個波段范圍，發展同時具備可見光、紅外、雷達波等多個頻段及聲波隱身功能的蒙皮/殼體或多個發射頻段的超材料天線，對于新型軍機等武器裝備意義重大。

超材料的尺寸需擴展到三維。受設計和生產的難度所限，現有超材料的研究一般局限在二維結構，只能讓超材料在某一個固定的角度對波起作用，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、結束語

從超材料的設計方法和應用前景分析中，可以得出以下三點啟示。

· 超材料是材料開發設計模式的創新，打破了傳統以化學成分設計調控材料性能的設計模式，轉而從材料結構設計的角度出發，從而實現材料的超常性能。

· 超材料的設計對象可以是金屬材料、非金屬材料，也可以是復合材料，大大放寬了材料設計的自由度，其設計方法適用于所有材料。

· 超材料可實現常規天然材料所不具備的超常物理性能，擴展了設備功能，由此可帶來航空武器裝備的性能提升和設計自由度的放寬，一旦投入全面應用，將會帶來軍、民用航空器及其他工業產品設計的變革。

作者：航空工業發展研究中心  胡燕萍

作者簡介：

胡燕萍，航空工業發展研究中心青年學者，國防材料情報研究專家。長期跟蹤國外國防材料領域研究進展，準確掌握國外國防材料戰略發展動向和國防軍用材料技術進展，對國外國防關鍵材料技術及新興材料技術有深入的研究和獨到見解。