超材料在隐身技术领域的应用.docx

《超材料在隐身技术领域的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超材料在隐身技术领域的应用.docx（7页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、超材料在隐身技术领域的应用目录编者按11 .超材料介绍12 .超材料的隐身技术应用优势33 .超材料的隐身技术军事应用进展44 .超材料的隐身技术军事应用前景5编者按超材料具备常规材料所不具备的超常物理性能，能够实现对光波、电磁波、声波的操控，由此带来武器装备性能的提升和设计自由度的拓展。近年来，超材料在隐身技术领域的应用成果不断涌现。作为提高武器系统生存与突防尤其是纵深打击能力的有效手段，超材料已成为立体化战争中最有效的突防技术手段。1 .超材料介绍超材料又名超颖材料，是指具有人工设计的结构、呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，介于宏观与微观之间的介观微结构是超材料的基本组成单元

2、。它通过复杂的人造微结构设计与加工，实现了人造“原子”及其组合，可以改变原有材料对电磁场的响应。超材料技术是一个跨学科领域，涉及电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、材料科学、半导体科学以及纳米技术等，其设计思想和方法成为发掘材料新功能、引领产业新方向、提高材料综合性能的重要手段，是继高分子材料、纳米材料之后新材料领域又一重大突破。超材料是一个热门研究课题，尤其在涉及现代天线结构的领域更是如此。今天我们就一起来认识一下。超材料的简介超材料CmetamateriaD,其中拉丁语词根表示“超出、另类”等含义，因此一般文献中给出超材料的定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材

3、料。”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。简而言之，超材料是指能够实现自然界中未知特性的材料和结构的组合，是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”、

4、“金属水”。例如，涂敷在物体表面的结构化材料可以使光沿锐角折射，从而有效地隐藏该表面下的物体，使其在某些波长的光下隐身。超材料的基本原理根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯曲，前提是设计并制作出足够小的“设备”。近年来，科学家沿着菲斯拉格的理论，依靠一些间隔仅有1毫米的几千分之一的人工结构，将材料的单元结构（人工原子和人工分子）集合，通过不同的结合结构和排列设计制造出各种超材料，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想。超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的

5、具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。超材料的主要特征：metamateria1重要的三个重要特征：（1） metamateria1通常是具有新奇人工结构的复合材料；（2） metamateria1具有常规（或传统）材料不具备的超常物理性质（3）超常物理性质主要由新奇的人工结构决定（4）新奇的人工结构包括单元结构（人工原子和人工分子）和单元结构集合而成的复合结构两个层次（5）metamateria1性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。2 .超材料的隐身技术应用优势现有的超材料主要包括负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等，具有三个显著特征：一是具有新奇的

6、人工结构；二是具有自然界材料中所不具备的、超常规的物理性质；三是采用逆向设计思路，能够实现“按需定制”。超常的物理特性使得超材料的应用前景十分广泛，应用范围覆盖了工业、军事、生活等各个方面。例如，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，适用于吸波材料、智能蒙皮、雷达天线、通信天线，对雷达、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。负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性。电磁波在负折射率材料中传播时，电场强度、磁场强度和传播矢量遵循负折射率螺旋定则，存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想

7、透镜等多种物理现象。负折射率材料的出现，使人类具备了自由调控电磁波的能力，对新一代通信、光电子、微电子以及隐身、探测、太阳能和微波能利用等技术的发展产生重大影响。光子晶体是具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构，可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性，对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域将产生重大影响。光操纵超材料的纳米结构，以特定的方式对光线进行散射，从而成功实现物体的隐形。德国科学家使用“径直激光平版刻录”技术，制成由微型塑料棒构成的隐形材料片。将这种隐形材料片覆盖在物体上，在红外照相仪观测下

8、，隐形材料改变了覆盖物周围光线的速度，从而使覆盖物和被覆盖物一同消失。包括美国国防部高级研究计划局在内的军方机构，寻求的正是这种隐藏技术，以使作战飞机在雷达探测范围内隐身。荷兰科学家制造出在力学上可编程的智能橡胶，通过小型开关控制和特殊设计，可以像一块超大海绵一样变硬或变软。近年来，超材料技术领域取得了一系列新进展。例如，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室与加利福尼亚大学合作完成了负折射率材料太赫兹频率特性的研究探索；美国加利福尼亚大学完成了利用负折射率材料精确控制光线速度和方向的研究；美国普渡大学和诺福克州立大学合作开展负折射率材料对光线吸收的研究；美国陆军实验室和普渡大学研究了在特定的电磁频

9、谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身材料；美国劳伦斯伯克利国家实验室制造出了全球第一个非线性零折射率超材料；法国国家科学研究中心和波尔高等化学物理学院通过结合物理化学组成和微流体技术，研发出了世界上第一个三维超材料；美国杜克大学和英国帝国理工学院使用超材料，让一个物体在微波射线下隐形。3 .超材料的隐身技术军事应用进展现代战争既是高技术装备之战，也是高性能材料的竞赛，加速发展新材料技术是保持军事领先地位的重要前提。通过对常规材料的微观结构设计开发出的超材料具备了常规材料所不具备的超常物理性能，实现了对光波、电磁波、声波的操控，由此带来武器装备性能提高和武器装备设计自由度的拓展。隐身是超材料研

10、究最为集中的方向，包括电磁隐身、声隐身、光学隐身和触觉隐身等。作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段，超材料技术已经成为集陆、海、空、天、电、磁六维一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段。由于超材料的巨大价值及其在诸多领域的应用前景，受到美国、欧洲、俄罗斯、日本等国的高度关注，已成为国际上最热门的前沿高技术之一。超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、声学隐身技术等产品研发和利用，已经成为世界军事强国竞争的焦点。美国国防部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，专门启动了超材料研究计划。美国空军科学研究办公室将超材料列入“十大关键领域”。美国陆军

11、还专门研究在特定电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身超材料。英特尔、AMD和IBM等美国最大的半导体公司也成立了联合基金，资助超材料技术研究；包括波音公司、洛克希德马丁公司和BAE系统公司等军工巨头也不甘在超材料研究中掉队。目前，美国拥有超材料专利的研究机构主要为麻省理工学院、惠普公司、加利福尼亚大学、康宁公司、SEARETE公司、雷锡恩公司等。美国国防部高级研究计划局于2017年11月宣布设立“全新光与物质相互作用”项目，旨在发展超材料的理论模型，将当前通过观测超材料取得的认知水平进行拓展，同时实现新功能。俄罗斯将超材料列为下一代隐身装备的核心关键技术。欧盟组织了50多位相关领域顶尖

12、的科学家聚焦超材料技术研究，给予巨额经费支持。日本出台了一项研究计划，至少支持两个关于超材料技术的研究项目，每个项目大约30亿日元，同时将超材料列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。目前超材料技术领域已形成的产品，包括超材料智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、通信天线、无人机载雷达等。目前超材料在隐身技术领域的应用已取得重要进展。例如，通过对气动外型、电磁性能和力学性能的定制化复杂设计，实现物理结构与电磁功能一体化的超材料隐身结构，已在飞机、航船、导弹隐身上得到应用；超材料吸波隐身功能材料，通过设计微结构、利用复杂微结构设计和材料改性，实现超材料在低频宽频的定制化材料、结构吸波功能，具有

13、优异的低频宽频隐身性能，可作为舰船船身吸波隐身、甲板吸波隐身、贴覆式吸波隐身材料。美国F-22猛禽战斗机和F-35“闪电”、俄罗斯PAKFAT-50战斗机、日本ATDX“心神”战斗机等就是超材料运用于战斗机的成功案例，用作“隐身衣”的超材料得到各军事强国的竞相研发投入，力图实现战场上的“单向透明”。利用增强/捷变隐身超材料技术，可以使武器装备被雷达发现和锁定的概率大幅下降，获得压倒性的不对称战略优势。小型化超材料隐身射频系统可以使通信设备更加轻便，并且不易于被侦查，大幅提升战场生存能力。根据前瞻产业研究院测算，2017年全球超材料在武器装备隐身技术中的应用规模在1.3亿美元左右。随着世界各国研

14、发投入的加大，到2025年全球超材料在武器装备隐身技术中的应用市场规模将达到11.7亿美元左右。4 .超材料的隐身技术军事应用前景目前，研究人员己通过网格状金属合金超材料，研制出一种“隐身斗篷”，能捕获、存储或操控光线。当探测波（光波、电磁波或机械波）从外界入射时，它将绕过超材料隐身斗篷的被覆盖体或被遮挡体，再继续沿原入射方向传播，没有反射和损耗，就像被覆盖体或被遮挡体根本不存在一样，在技术上实现了完美隐身。超材料技术在电磁隐身、光隐身和声隐身等领域具有巨大应用潜力，在作战飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用，使隐身技术领域发生颠覆性变革。在电磁隐身方面，电磁防护超材料以人工微

15、结构为基础,实现了对介电常数和磁导率的自由设计,突破了传统电磁防护材料在信息装备i体化发展过程中遭遇的各种物理极限，在隐身材料、微波器件、军用天线等诸多领域具有巨大的应用前景。美国杜克大学与英国帝国理工学院合作提出了微波频段的电磁隐身设计方案，这种设计方案由10个同心圆筒组成，采用矩形开口环谐振器单元结构，实验结果证明将负折射率材料用于物体的隐身是可行的。美国东北大学采用掺杂铳的M型钢铁氧薄片和铜线组合，设计了在3344吉赫兹电磁波段实现可调的负折射率材料。美国雷神公司开发了一种透波率可控人工复合蒙皮材料，采用嵌入可变电容的金属微结构频率选择表面，通过控制加载在可变电容上的偏置电压，改变频率选

16、择表面的电磁参数，实现材料透波特性的人工控制，可以应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮，极大地提高作战飞机的雷达天线、隐身和气动外形性能。在光学隐身方面，加拿大超隐形生物公司发明了“量子隐身”材料，它能使周围光线折射而发生弯曲，使其覆盖的物体或人完全隐身，即使在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功实现隐身，有望在下一代隐形战斗机、舰艇和坦克上应用。美国佛罗里达大学研制出一种可实现可见光隐身的超材料，利用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料。纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射率，使光从其周围绕过而成功实现隐身。在声隐身方面，美国杜克大学制造出世界上第一个三维声学斗篷，它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置，能够使入射声波沿斗篷表面传播，不反射、不透射，能在3千赫兹的声波下实现隐身效果，可用于主动声呐对抗。应用超材料制造的隐身斗篷，可以掩护迫降等待救援的飞行员