祝叶华
《科技导报》编辑部，北京100081
摘  要  超材料是一种特殊的人工复合材料或结构，通过对材料的关键物理尺寸进行结构上的有序设计，可以使其获得自然界材料所不具备的超常规物理性质。左手材料、光子晶体等超材料在隐身、天线领域有广泛的研究和应用。本文综述超材料的特殊性能及在军事、民用等领域的应用情况。
关键词 超材料；左手材料；光子晶体

   近年来，超材料因其独特的设计理念和应用前景，逐渐引起全世界的关注。通过材料设计，超材料可以展现全新的物理现象，其颠覆性的设计思路，可以提升传统材料性能，突破资源稀缺的瓶颈。超材料的产生让人类的思维突破传统思维的框架，不再受限于自然材料参数和功能的限制（图1）。目前，超材料已在部分领域发挥和拓展了其功能，未来超材料还会继续渗透到更多不曾预料的领域，给人类社会带来巨大改变。

   1 超材料的发展

   “超材料（metamaterial）”是一类具有自然界材料所不具备的超越材料本身物理性质的等效均匀复合材料或人工复合结构[1]。metamaterial，其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义，本质上讲，超材料是依据新颖的材料设计思路，突破多种材料的物理结构表现出来的自然规律的限制，获得自然界材料所不具备的超常的物理性质的材料（图2）。

   从“超材料”的定义看，目前广泛研究的超材料主要有左手材料、光子晶体、电超材料、磁超材料等。

  1.1 超材料特性

   在自然界中，介电常数ε 和磁导率μ 是电磁学中描述媒质的2个基本物理量，通常情况下ε 和μ 都是正数，这类材料遵循右手螺旋定律。但在1968年，苏联理论物理学家VictorVeselego提出了一个大胆猜想：如果ε 和μ 都为负数的话，那材料就遵循左手螺旋定律，这与电磁学的自然规律相背，对应的材料被称为左手材料。除此之外，根据媒质的不同，材料还包括电负材料和磁负材料（图3）。

   超材料的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础，来设计材料关键物理尺度的结构，进而得到不受自然规律限制的天然材料不具有的超常功能性材料。超材料通过原子的有序排列和有序调节，使得晶体材料显示出一些无定型态所不具备的物理特征，这类似于自然界中存在的晶体结构物质。超材料也可以理解为人为通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质的材料（图4为超材料与自然材料对比）[3]。

   目前自然界中大部分媒质属于右手材料，等离子体和铁氧体等是少数具有电负材料和磁负材料特性的物质。左手材料是最早提出的一种超材料，至今还未在自然界中被发现。

   1.2 超材料的发展

   1967年，左手材料被提出之后，由于无法进行实验验证，因此Veselego的猜想没有得到科学界的重视。直到20世纪90年代中后期，英国物理学家John B. Pendry提出，一种材料除了拥有均匀的块体，还可以具有部分细小的单元，也就是说，这些细小的单元可能具有负介电常数和负磁导率，很有可能会产生材料本身不可能出现的效应。在Pendry的基础上，美国科学家Smith从实验室层面完成了这些细小结构单元的负折射，在实验室中成功将左手材料制造出来[4]。图5所示是世界上第一块磁导率和介电常数为负数的人工材料，这是左手材料里程碑式的成果。自此，metamaterial与具有负折射的“左手材料”才逐渐引起了科学界的关注。

   左手材料的某些物理特性完全不同于常规材料。左手材料在电磁波某些频段会产生负磁导率和负介电常数，以至于使电磁波朝着与能量完全相反的方向传播，具有逆多普勒效应、逆Cerenkov辐射效应、逆Snell折射效应和“完美透镜”等特殊的电磁特性。目前，左手材料的制备技术涵盖了传输线及成型、谐振贴片型、颗粒复合型、薄膜层合型和渔网型等5种类别。凭借左手材料的特意属性以及制备技术的不断更新，左手超材料在隐身、雷达、成像、传感器以及天线领域都有巨大的应用前景。

   2002年，复合左右手结构的左手材料被提出，这种材料由传输线结构来实现。研究人员提出的传输线左手材料在普通的传输线基础上加载了串联电容和并联电感而形成的传输线表现出后波特性的材料。与金属谐振环相比，这种材料具有损耗低、带宽大和结构连续等优点，并且极容易与其他器件相结合使用。这种复合左右手材料在微波领域有广泛的应用，如天线、谐振器、移相器和耦合器等[5]。不过目前要想实现改种材料的三维设计还非常困难。

   2003年，左手材料凭借其“负折射”特性入选《Science》年度十大科技进展；2006年，其再次凭借“隐身斗篷”成功跻身《Science》年度十大科技进展；2007年，左手材料的革命性的设计理念，再次助其入选材料学领域权威期刊《Materials To⁃day》评选的过去50年材料学领域的10大进展。10年间，左手材料呈现爆炸式快速发展，在2010 年，左手材料再次被《Science》评选为20世纪前10年的十大科技突破之一。

   1987年，由美国科学家根据不同的研究角度，提出了光子晶体和光子带隙的概念。这类材料在光的波长尺度具有周期介电结构的特性。与左手材料最初遇到的“冷遇”不同的是，光子晶体的提出给光子技术带来了广阔的应用前景，国际上掀起了光子晶体研究热潮。1998年和1999年，与光子晶体相关的研究两度被《Science》评为当年世界上“十大科学进展”，同时也被《Science》预测为未来六大研究热点之一。2006年，《Science》又再一次将光子晶体评为未来的自然科学领域热点。

   声学超材料是近年来超材料研发领域的又一热点。目前对于声学超材料还没有统一的定义，概括来讲，声学超材料就是指一些具有天然材料所不具备的超常声学特性，如负体积模量和负质量密度）的工程设计材料[6]。2014年，Li等[7]研究了埋入水中的软硅胶散射体结构，结果显示其周期性的结构具有双负（double negative）参数特性即等效的负体积模量和等效的负质量密度，具体他们首次提出了声学超材料的概念。这种材料可以针对不同的声学应用，通过特定的方式弯曲声波的传播轨迹。声学超材料的特性通常是由特定的结构而非材料组成来实现其特性。除此之外，负折射率材料，超磁性材料也逐渐研究发展起来。

  1.3 超材料研究热点

   超材料概念的提出，给光学、电子学、声学等研究领域带来了广泛的影响，并且其在移动通信、卫星通信、医学成像和超声波成像方面有极大的应用潜能。在军事领域，超材料同样应用潜能巨大。在目前以信息战、电子战为主要作战方式的现代战争条件下，精致制导武器对作战单位产生极大威胁，利用超材料会极大提到作战单位战场的生存能力，有望降低武器装备被敌方探测到的可能。图6[8]为科学家预测的超材料未来发展趋势。

   目前，超材料的应用研究热点有以下几种：

   1）研发称实现完美隐身的“隐身斗篷”；

   2）依托超材料谐振损耗特性制造超材料吸波体；

   3）在微波电路或天线中应用超材料来提高其性能。

   2 超材料的应用

   超材料技术已经慢慢渗入多个领域。在航空航天、国防、民用科学技术领域超材料都有很好的切入点，也对这些领域带来强烈的冲击和影响。美国国防部将超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之首，专门启动了关于超材料的研究计划。中国也在“863计划”、“973计划”、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。

   2.1 电磁超材料

   电磁超材料可以用于隐身衣、电磁黑洞、慢波结构等元器件的制作。其中，隐身衣主要应用于军事领域；电磁黑洞主要应用于太阳能电池，红外热成像，飞机、导弹、舰艇、卫星等领域；慢波结构主要应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术、光缓存、深亚波长光波导等领域。

   2.1.1 隐身衣

   隐身衣是一种以开口谐振环为单元结构、非均匀方式排列成圆环结构的超材料，是近年来出镜率最高的超材料应用在科幻电影《哈利波特》中，隐身衣也是一大亮点（图7）。

   电磁超材料是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向。电磁波的传输介质会对其传播性质产生影响，在不同介质中，同一频率的电磁波会有不同的现象。之前的研究，因为不存在负折射率材料，所以无法按照设计要求调节介质的电磁参数来达到对电磁波传播的控制。超材料将隐身技术带入了新的技术领域：超越让电磁波反射和吸收的隐身手段，通过制备超材料覆盖物，引导被覆盖物阻挡电磁波绕着其走，达到隐身目的。

   2006年，Pendry等[9]和Leonhardt等[10]分别在《Science》上撰文发表关于设计电磁隐身衣的新方法。他们指出，具有特定磁导率和介电常数分布的超材料可以控制电磁波传播，并干扰电磁波的传播轨迹，使其发生弯曲。利用电磁超材料制备的套型装置，可以使放置在期内部的物体“隐身”，不被外界探测到，这种装置被称为电磁隐身衣（electromagneticcloak），或者称为超材料隐身套。图8为二维、三维隐身衣示意[9]。

   Pendry 最早提出的隐身衣属于“封闭式”隐身衣的范畴。利用坐标变化理论设计隐身衣，引导电磁波绕过目标物体之后返回原始的传播轨迹，给观察者造成一种物体不存在的假象，达到隐身目的。但“封闭式”隐身衣在实际研发中，面临一个大的问题，即这是一种通过坐标变化理论设计的三维隐身衣，利用改变电磁参数达到光线弯曲的效果，但在计算过程中，要求电磁参数是非均匀各向异性的。在Pendry提出利用变换光学理论制备电磁隐身衣后，2006年，杜克大学Schurig等[11]对材料的参数进行了简化，该研究采用SRR结构为基本单元演绎了二维TE波弱化隐身衣的隐身效果，制造出微波频段隐身柱。但这种隐身衣仅仅限制在微波频段（图9）。

   2006年，Schurig等[11]首次实验验证了世界上首个超材料隐身衣。他们在两个平行的金属板中间放置了包围着超材料隐身衣的金属铜柱，将入射电磁波从平行金属板的一端导入，并测量金属板内如空间各店的电磁场分布情况，据此验证了工作频率为8.5 GHz的超材料隐身衣可以引导电磁波并有效减小金属铜柱的散射场（图10）。图10中，（a）是理想情况下，由连续的介质参数构成的隐身衣的散射场仿真图；（b）是将连续的介质参数离散后得到的散射场仿真图；（c）是金属柱体的散射场仿真图；（d）是金属柱体加载隐身以后的散射场测量图。通过对比（c）和（d）可以看出，隐身衣可以大大减小金属柱体的散射程度，并且从隐身衣外部无法探测到隐身衣内部物体的信息，金热实现了金属柱体的完美隐身。

   依据与Schuring同样的设计理论，Cai等[12]提出二维TM波弱化隐身斗篷概念，利用内含针状纳米金属椭圆为电介质为基本单元，设计了在光波段发挥作用的隐身衣。而为了克服“封闭式”隐身衣非均匀各向异性的限制，Huang 等[13]利用均匀物质封层结构控制参数的各向异性，提出了二维TM波弱化隐身衣，与Cai等设计的隐身衣不同的是，这种TM波弱化隐身衣外边界不匹配真空的阻抗，这样会引起较大的散射。Ruan等[14]采用近似理想情况模型进行求解，避免了设计坐标变换时隐身衣参数奇异性的问题。Yan 等[15]进一步证实，如果采用简化材料参数的方法，利用均匀各向同性材料设计制造的隐身衣不能达到完美的隐身效果。

   Jiang 等[16]改变设计理论，通过高阶的坐标变换得到新型的TM波弱化隐身衣，克服了隐身衣边界与真空阻抗不匹配的问题。这一问题解决后，各种类型的隐身衣被大量研究。

   除此之外，利用变换光学还可以设计3种不同拓扑结构的隐身斗篷：1）将目标物体压缩为零维的点；2）将目标物体压缩为一维线；3）将目标物体压缩为二维面。将目标物体压缩为零维的点和一维的线都是可以技术实现的。但对于第三种情况，将目标物体压缩为二维的平面，散射非常大。如果在计算过程中，一个导体面上方覆盖另一个体积更大的导体面，那被覆盖的体积较小的导体面就能成功隐身，无法被探测到。隐身地毯就是基于第三种情况进行设计的。

   目前多国科研人员都展开了对隐身地毯的研究。隐身地毯相对于“封闭式”隐身衣而言，可以通过变换合适的坐标，减小隐身斗篷的各向异性，从而可以拓宽隐身衣的隐身带宽。隐身地毯的材料参数没有奇点，可以做到各向同性，降低了设计难度。

   2008年, Li等[17]首次提出了隐身地毯的结构，如图11和图12所示。由图12可以看出，在有隐身地毯存在的情况下，目标物体的外部反射电场与光入射到导体平面的反射电场几乎没有区别，物体做到了完美隐身，无法被探测到。但如果目标物体暴露在外，没有隐身地毯覆盖的华，那么其反射电场与光入射到导体平面的反射电场就有明显的区别，物体很容易被探测到。

   2009年，ValentineJ等[18]首次在实验上获得了1400~1800m波长范围内的光隐身地毯，但这一隐身地毯的隐身频宽非常短，因此如果实现大尺寸物体在光频率范围内的隐身成为研究的热点。

   Liu等[19]设计了一种宽频带平面隐身地毯，这种平面地毯可以消除外界干扰，使处于地毯下方的物体完美隐身。Yu等[20]依托嵌入式光学变换的思路，提出了平板隐身地毯的概念。随后，Xu等[21]通过变换隐身衣的坐标，设计了参数均匀各向异性材料的隐身地毯，这在一定程度上降低了隐身地毯的制作难度，并得到了一种隐身波段为红外波段的隐身地毯。2009年，Cui等[22]首次制备了三维、宽频带、低损耗的微波隐身地毯。从各个角度观察隐身地毯可见，在其上产生的反射电场与入射到导体面上的反射电场没有区别。

   2009年，Lai等[23]基于互补介质理论，提出了在将一个与被隐藏目标相对应的“反物质”镶嵌入具有负折射率的斗篷壳中制成的隐身衣。这种隐身衣是根据坐标变换和相位补偿理论提出的，因此也叫做相位补偿隐身衣。以往的隐身衣虽然可以实现隐身的效果，但同时也导致了外部环境与目标物体的隔绝。外部隐身衣打破了这种限制，实现了对隐身衣外部目标物体的隐身。

   Han等[24]设计了一种二维菱形外部隐身衣，其材料参数特征为均匀各向异性，在TE波和TM波照射下，可表现出良好的隐身特性。Yang、杨成福等[25-26]推导了任意截面外隐身衣的相位补偿介质材料参数，研究了任意截面的外部隐身衣，并对这一隐身衣进行了全波仿真验证。不过由于这种隐身衣的材料参数是各向异性的，所以不易实现。同时，相位补偿隐身衣还具有其他局限性，即隐身衣与目标是连成一体的，并且其隐身效果依赖于隐藏目标的形状和材料。所以当隐藏目标物体改变后，隐身衣也需要进行相应的改变。据此，Han等[27]研究提出了分布式外部隐身衣，利用图形折叠法在一定程度上改变了相位补偿隐身衣的缺点。这种隐身衣隐藏外部任意形状和材料时不受嵌入反物质的限制，并且可以利用重新移动和定位外引申义系统来改变隐身的区域。

   目前，超材料隐身衣正朝着更轻、更薄、更加不可见的方向发展（图13~图14）。

   在军事领域，尤其是在航空航天隐身领域，“隐身衣”的重要作用正逐渐体现出来。精确打击系统和先进侦查系统的出现，使得近空防御领域出现了“发现即被消灭”的战略认识，采用隐身效果更好地新型材料，可以使对方的探测、侦查、制导系统失效，从而更好地隐蔽自己[28]。传统的隐身技术已经不能满足这种要求，各种新材料的出现是隐身技术发展的及时雨。超材料在隐身技术领域的应用，使得研究人员将研发重点从单纯的吸波研究扩展到控制电磁波的绕射，进而达到更好隐身的目的。

   超材料制备的新型隐身衣与传统隐身衣相比，有明显的区别。雷达吸波材料技术、有源对消技术、无源对消技术和外形隐身技术是4中主要的传统隐身技术。外形隐身技术和雷达吸波材料技术是比较常用的传统隐身技术。吸波材料的隐身原理是隐身材料吸收雷达波能量进行隐身；外形隐身设计原理是利用合适的外形设计将接收的雷达波能量反射到其他方向上，进而减少雷达散射截面上产生的威胁。美国、德国、俄罗斯、英国、新加坡和中国等国均在超材料隐身装置领域有其优势研究和技术。尤其在军事领域，各国对超材料技术的竞争更加激烈。

   美国B2（图15）隐身战略轰战机和F117A隐身战斗机（图16）是美国典型的采用外形隐身为主、吸波材料为辅的隐身设计方案[29]。

   美国的F35战斗机（图17）和俄罗斯的第五代战机PAKFA（T-50）（图18）在隐身性能上不相上下，不过为了确保战机的操控性、速度、武器载荷、航程和隐身等综合性能，俄罗斯的第五代战机PAK FA（T-50）使用了超材料来增加其在电磁和光波波段的隐身特性[30]。

   传统的隐身技术中，以增加其他方向上散射截面为代价，即目标物体无法消除入射电磁波产生的干扰，这会引起不同程度的散射效应和阴影，增大目标物体被探测设备（主动或被动）发现的可能性。所以隐身效果更好的新型隐身材料迫切需要被研发出来。

   2.1.2 智能蒙皮（未完待续。。。）