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

   2.1.2 智能蒙皮

   以超材料技术为基础，产生了一种全新的给予超材料的隐身蒙皮技术。隐身蒙皮将电磁隐身性能的超材料技术与具有常规机械、物理性能的蒙皮技术融合，充分发挥各自的优势。隐身蒙皮可以完全取代现有装备的蒙皮，在不改变现有装备外形特征和不影响现有装备动力学性能的情况下，使得装备具有隐身性能。

   1985年，美国空军首次提出了“智能蒙皮”技术的概念。与此同时，20世纪80年代末，法国也开始研发“智能蒙皮”天线系统。智能蒙皮有其独特的优势：即采用光纤和传感器技术来代替普通的电缆连接技术，即节省了飞机内部空间，又减轻了飞机重量，简化了飞机的设计。同时，智能蒙皮还可以提高飞机对自身飞行状态的感知，以及对外部环境进行实时监控。更甚者，智能蒙皮还会大大提高飞机的隐身能力。

   为了降低隐身战斗机的雷达反射面，隐身战斗机在结果中采用特殊的外形和特殊的材料，一方面可以通过外形将雷达波反射到特定角度，从而避免它们返回到雷达接收机（图19）。另一方面，在机身外部涂抹雷达吸波材料来吸收雷达波能量，尽可能减少雷达被反射强度。隐身战斗机就是利用上述两者相结合，才可以几乎实现隐身的目的，不被发现。但目前的一些新技术，已经逐渐开始解密这种隐身模式，如特高频雷达的出现，可以极高的分辨率来搜索飞机，从而削弱隐身飞机的优势。

   2015年11月，华中科技大学的研究人员在《应用物理》发表论文报道，将“有源频率选择吸收表面”技术用于吸收特高频（UHF）波段雷达波的技术。这一技术被认为可以用于制造隐身战斗机智能蒙皮，它可以根据敌方雷达的探测频率调节自身对雷达波的吸收率，从而大大降低雷达反射面积，可能让现有只能吸收固定波段电波的隐身涂层技术彻底过时，图20为智能蒙皮样品及其工作原理。

   其实，有源波段选择技术并不止可以被运用在隐身智能蒙皮技术上，它还可以用于制造飞机的雷达罩，或者天线等，利用其可以智能化调整吸波频率的特性实现多种特殊功能，这对于实现无线电设备的小型化、多用途化、智能化具有极大的意义，是目前世界各国争相研究的前沿性技术[31]。

   除此之外，在汽车行业，智能蒙皮也逐渐受到重视。BMW 和Toyota 等汽车生产商已经启动了电磁超材料的研发。Toyota研发中心在之前的报道中称，智能电磁超材料预期将在车载雷达扫描系统、电动马达用新型磁性材料、移动通信天线和电磁兼容中使用的高新能吸收与屏蔽材料中得到大力推广。美国杜克大学的科研人员研发了一种无需镜头就可以拍照的超材料图像传感器。这一技术有望代替传统摄像机应用在智能车辆蒙皮上[32]。

   在“智能+”社会，将人类从繁琐的驾驶活动中解放出来，是智能汽车研发的初衷。要想使驾驶者的双手和大脑可得放松，首先就要给智能汽车配备一双“智能眼睛”。通过“智能眼睛”感知行车周围环境，进而做到自适应巡航、自动紧急制动、自动泊车等一系列智能车行为（图21[33]）。超材料雷达被设计者研发来实现这一愿望。

   传统的透镜需要特定形状使光线聚焦，而超材料透镜在完全平坦的情况下就能达到同样效果。同样，通过将金属微结构印制在柔性基底上就可以制备超材料薄膜，覆有多层薄膜的电路板能够引导雷达波束。通过对线路某些部分加不同电压可以主动控制波束，还可以达到移相器的作用。超材料雷达根据不同环境对波束进行不同调制，可以提高探测距离和对探测物的敏感性；可以规避周围信号干扰，为行车安全提供更有力的保障（图22）；可以通过强化雷达信号和定向性来增强对环境的适应性，提高探测的稳定性。总的来说，超材料技术的加入使得车载雷达具有更远的辨识距离、辨识角度、更高的分辨率以及更强的抗干扰能力，能够满足智能交通时代对无线通信高速数据传输、高容量、高安全性、高抗干扰能力以及低延时性的要求（图23）[34-35]。

   2.1.3 电磁黑洞

   “电磁黑洞”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，大幅度提高红外信号探测能力，因而在飞机、导弹、舰船、卫星等方面获得广泛的应用。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。

   澳大利亚国立大学和美国加州大学伯克利分校合作研发出一种属于一种属性奇特的纳米超材料，该材料被加热时能以不同寻常的方式发光。这一成果有望推动太阳能电池产业的革命，带来能把辐射热转化成电能的热光伏电池，在黑暗中收集热量来发电。新型超材料有着纳米级的微结构，由黄金和氟化镁组成，能向特定方向发出辐射，还能改变形状发出特殊的光，而常规材料只能以全方位、广泛红外光波的形式发热。因此用这种材料制作匹配热光伏电池的发射器极为理想。该材料的非凡表现来自其新奇的物理属性，它的磁性呈双曲线形分布，表示电磁辐射以不同方向传播。的超材料克服了一些技术障碍，有助打开热光伏电池的潜能，预计能使热光伏电池的效率超过传统太阳能电池的2倍[36]。

   2013年，美国普渡大学研究人员设想利用模拟宇宙黑洞的性质，制造人造黑洞。宇宙黑洞的强引力能弯曲周围的时空，导致附近的任何物质或放射物沿着被扭曲的时空，呈螺旋式旋转着进入黑洞深处。

   中国科研人员将这一设计付诸实践。东南大学的科学家崔铁军和陈强，制造了一个在微波频率下工作的“黑洞”。这个人造“电磁黑洞”由谐振和非谐振型的超材料构成，外形上由60个带有复杂结构电路板的镀铜同轴环构成，每一层都是交替模式，应用电磁波在非均匀介质中的传播轨迹类比物质在引力场下弯曲空间中的运动轨迹，以此模拟黑洞的部分特性（图24）[37]。

   2.2 光学超材料

   用于制作光学透镜的超材料，可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜，其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域，高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域，高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。

   2.2.1 光学透镜

   超材料透镜是超材料的另一重要应用之一，它的出现给光学成像领域带来了革新性的突破，图25展示了用于成像的超材料。

   传统的阿贝成像受到衍射极限的约束限制，使得光学器件无法对尺度小于半个工作光波长的物体成像，超透镜打破了这种限制。2000年，Pendry在理论上提出了负折射材料可以用于制作超透镜的想法，并证明了当介质的介电常数为负数时，电磁波中的倏逝波成分会被放大，而倏逝波成分中部分携带的信息就可以在负折射率介质材料中传播，常规介质中的倏逝波就会衰减。

   由负折射材料制备的平板具有成像的功能，所以在近场的情况下，物体发射出的光线会经负折射率平板前后界面2次折射后重新汇聚在一起，进而实现成像（图26[38]）。

   超透镜的成像分辨率远大于传统透镜，因而受到了广泛关注。2005年，Fang等[39]在实验上证实了金属在其等离子共振频率下会呈现负介电常数，所以金属薄板在特定波段可以制作成超透镜，银薄板是目前常用的金属板。随后各种超透镜的设计层出不穷，超透镜制作材料也从最初的金属材料扩展到半导体和复合材料。但平板形超透镜多为近场超透镜，只能在近场区域成像，不能传播到远场，为了实现远场成像，研究人员利用曲面结构的超材料来设计成像，并不仅达到了远场成像的目的，还对成像起到了放大的作用[40]。

   在生物领域，常规显微镜只能看到细胞内相对较大的结构，对于更加精细的部分无法探测到。利用分辨率较高的近场扫描显微镜可以观测到亚波长尺寸的微小部分，但是还无法实时观测。为了更直观的探测微观世界，科研人员在常规显微镜中嵌入超透镜，即大幅度提高了显微镜分辨率，又实现了实时观测的目的，对生物医学发展大有助益[41]。2016年，英国班戈大学电子工程系的王增波和中国复旦大学材料系的武利民等合作在《Science Advances》在线发表的文章中报道，利用常见的二氧化钛纳米粒子制备一种固态半球超级透镜，能把光学显微镜的分辨率提高4到5倍，大幅突破常规光学显微镜的极限分辨率（图27）[42]。

   由杜克大学研究人员研发了“超级透镜”设备，研究者利用特殊材料制造了一个可以聚焦磁场的“超级透镜”。这种“超级透镜”可以在一段距离内聚集低能量电磁波，形成有效电流传输，能够将线圈产生的磁场“平移”一英尺，进而使一英尺外的接收端产生感应电流。使发射器和接收器之间进行无线电传输的发展向前迈进一大步（图28）。

   2.2.2 超材料天线

   超材料在通信领域，尤其是在新型天线研究应用广泛。宽带无线通信技术对天线技术提出越来越严格的要求。传统微带天线辐射效率低、带宽窄等限制因素的存在，使得其不能满足超宽带通信的应用需求，电磁超材料为天线设计注入了新的设计理念。

   超材料的引入，对提高天线增益、缩小天线尺、实现天线的波束指向可变都大有助益。近年来，国内外科研人员将超材料应用在天线领域，取得了许多突破性的进展。获得了众多科研成果：多功能天线、无线波长天线、漏波天线阵、微带天线、高方向性天线以及正在地板上利用多种形状制备而成的时域天线和低剖面天线。

   Ziolkowski等[43]从原理上验证了可以利用左手材料的相位补偿原理改变天线的匹配负载和提高天线的辐射效率等。如图29所示，将电小天线包围在左手材料层中，这样可以将电小天线的辐射阻抗由容性变为感性，这种设计方法相当于将阻抗匹配网络增加在天线周围[1]。根据下图的设计理念，如果将左手材料层设计合理的话，就可以提高天线辐射效率，这可以为解决小天线的低辐射率问题，提供了可行性方案。

   利用传统方法实现天线小型化的方法主要有：在微带天线上加载电容或者电感、增加基板的介电常数、采用分形结构和曲流技术等。传统方法制备小型化天线面临着许多挑战，例如天线的设计方案要同时满足方向性提高、尺寸减少、后瓣或者旁瓣得到抑制和增加带宽等。超材料的引入可以逐渐解决这些面临的挑战。Ntaikos等[44]利用负磁导率超材料环制成了单极子多频带微带天线。Lizuka等[45]研究设计了左手偶极子天线。

   利用复合左/右手传输类的超材料可以构成名为漏波天线的新型天线。当电磁波沿着行波结构传播时，电磁波会沿着行波结构不断向外辐射漏波，这种产生漏波的结构就是漏波天线。漏波天线含有波束随频率扫描、主波瓣窄、结构紧凑、工作带宽、容易制造和成本低的优点。传统材料制备的漏波天线的扫描角度范围为90°左右，不利于实际应用和推广。利用复合左/右手传输线制造的漏波天线有“背射-端射”频率扫描特征，可以拓宽天线的扫描角度到-90°到+90°。除此之外，超材料漏波天线可以仅通过2条简单的传输线就可以实现馈电，结构简单、高效。图30为超材料漏波天线结构图[46]。如图30（a）中所示，将变容二极管引入超材料单元结构中，可以改变传输线的色散特性，进而得到压控波束的扫描漏波天线。如图30（b）中所示，这种天线可以实现180°范围内的扫描[47]。

  根据超材料的折射率可以从正道负变化的特性，Enoch等[48]设想当超材料的折射率为零或者接近零时，就可以用超材料使电磁波产生汇聚效果。借助这种汇聚效果，将超材料加在天线辐射方向的前端，就可以大大提高天线的增益。目前常用的方法是，将折射率为零的超材料介质板放在天线的辐射方向上，如Zhou等[49]提出了基于零折射率高增益的微带贴片天线的设想。（图31（a））。但这种天线由于折射率为零或者接近零，其带宽非常小，这也就会使得依此设计的天线的增益只能在有限宽度内提高其增益。崔铁军等[50]为了实现超材料加载天线的平面化、减少天线体积和增加高增益的带宽设计出一种图31（b）式的Vivaldi天线。他们将一对折射率接近零的超材料放置在Vivaldi天线开口的前方，实验发现，Vivaldi天线的方向性和增益明显提高。

   Wu 等[51]也提出了一种带有超材料天线罩的贴片天线WIMAX,这种天线罩是一块印有S 形超材料结构的Rog⁃ers5880介质板。图32为WIMAX贴片天线，图32（a）中的贴片天线上添加了超材料天线罩，由图32（b）的增益对比结果可见，天线的增益平均增高了2 dB。

   3 超材料研发的进展

   近10年来，超材料基础研究领域发展迅速，超材料的应用也逐渐覆盖了军事、民用等多个领域，各国竞相加大对超材料领域的研究投入。

   3.1 国际进展

   在超材料基础研究领域，美国、德国、新加坡和英国有绝对的优势。其中，美国杜克大学的Smith研究团队、德国斯图加特大学Giessen团队和新加坡南洋理工大学Singh团队做了深入的研究。在新型人工分子和原子设计方面，美国加州大学伯克利分校张翔团队、英国伦敦大学帝国理工学院Maier团队、德国耶拿大学Lederer团队在理论结构设计和实验论证方面做了大量研究，并相继提出了不同类型的谐振结构模式。美国宾夕法尼亚大学和英国南安普顿大学从现有的线性无源系统出发，对电磁超材料进行了可行性调研；而在新型传感型超材料方面，德国达姆施塔特工业大学的Jakoby等和美国德州大学奥斯汀分校的Alu团队分别研究了电磁场局域增强及其对周围环境的介电性敏感等特性。

   在超材料关键技术领域方面，主要研究机构分别来新加坡、美国、俄罗斯和英国等欧美国家。同时，欧美等国在超材料产品的工业应用领域优势依旧。拥有超材料技术公司、分形天线公司、Kymeta公司、Kyocera无限公司等。另外还有大型的航空航天和国防承包商包括波音公司、洛克德马丁公司、三星公司和雷神公司[32]。

   3.2 国内进展

   目前，超材料的研究团队和机构多转向海内外的华人研究团队，例如：清华大学、南京大学、香港科技大学、复旦大学以及美国加州伯克利分校的张翔团队，美国东北大学的Liu团队、佐治亚理工学院的Cai研究团队等。现阶段，中国的超材料领域基础研究和关键技术几乎与世界同步。

   浙江大学在光波和超低频超材料领域取得了一系列有影响的成果，发展出了基于慢波来设计超薄、宽吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隐身、磁共振成像和静磁场增强方面的应用。

   东南大学研究了均匀和非均匀超材料对电磁波的调控作用，提出了电磁黑洞和新型超材料隐身器件，发展出了雷达幻觉器件、远场超分辨率成像透镜、新型天线罩、极化转换器等新型超材料器件。

   清华大学研究介质基和本征型超材料，提出了通过超材料与自然材料融合构造新型功能材料思想，发展出了基于铁磁共振、极性晶格共振、稀土离子电磁偶极跃迁以及Mie谐振的超常电磁介质超材料。

   除此之外，东南大学的崔铁军团队（侧重微波超材料研究）、复旦大学黄吉平团队（将光学隐身的理念推广到热学领域并提出热学隐身衣设计原理）在超材料研究领域都获得了突破性的研究成果[32]。

   中国对超材料的科学研发和产业化也逐渐走在世界前列。国家设立了“863计划”、“973计划”、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目对超材料进行大量研究。深圳光启在国际上首开超材料工业化的先河，率先在国际上推进了超材料的产业化，并形成了以超材料技术为核心的光启创新技术专利池。目前该院拥有70%以上的国际超材料应用方面的专利，并且在智能隐材料、超传感材料和智能通信系统等领域已有产业化成果。同时，深圳光启研究院在国际上率先推进了超材料产业化，研发出超材料平板式卫星天线，在22个省市进行了测试，并在北京、天津等地得到了实际应用。

   2015年，中国正式发布了超材料领域的国家标准《电磁超材料术语》，并将于2016年10月1日起实施。《电磁超材料术语》中规定了电磁超材料的类别、设计、功能、基材以及应用等相关方面的术语和定义。这是全球第一份超材料领域的国家标准，也将对中国超材料技术与行业发展提供科学准确的技术支持，同时为其他国家超材料领域研究提供一定的参考和指导。

   4 结论

   超材料是目前国际学术界研究的热点领域，许多科研工作者在这一领域投入了大量的精力。推动超材料技术不断向前发展，在已有的电磁超材料、光学超材料的基础上，发展新型超材料，克服传统材料的物质结构限制，是未来发展的主流方向。

   超常的物理特性使得超材料的应用前景十分广泛，其应用范围覆盖了工业、军事、生活等各个方面。特别是电磁超材料，对未来的通信、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。

   近年来，超材料研究发展迅速，在军事、民用等领域也逐渐获得喜人成绩，不过距离产业化应用还有很长一段路，有待从以下几个方面进行深一步挖掘和研究：

   1）拓宽超材料的工作频率和方向。目前，超材料的工作频率还只限定在红外层次，并且大多数负折射率材料只能在某些角度上实现负折射。尤其是对隐身装置而言，拓宽工作波段和各向同性的特性，对实现超完美隐身有很大助益。

   2）朝着产业化发展迈进。技术的研发最终都要回归应用，超材料目前还处于实验室到产品中试阶段。并且现阶段实验室还很难做到三维超材料的研发，因此如何实现大规模制造大体积超材料是实现超材料广泛应用的前提。

   3）智能超材料功能的设计和性能的优化及相关模拟仿真方法有待加强。

   4）不同超材料中间相互作用的研究相对来说还属于空白领域。

   全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大，对于处在超材料应用领先地位的中国高校和企业来说，应力争在未来一些战略新兴产业及人工智能革命领域引领世界潮流。

   参考文献（略）