航天新趋势——超材料

     随着现代技术水平的提升，传统材料越来越无法满足新技术的高要求。故人们摈弃常规，研究出一种具有特殊性质的人造材料。这些材料的内部结构人工合理设计的，它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。

       人们可以根据需要，任意调控超材料的等效介电常数和磁导率等物理参数，设计出具有高度各向异性的材料，使得电磁波在其中沿不同方向具有不同的传播速度，产生合适的相位差，从而控制电磁波的极化状态。

       超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。

       超材料是继纳米材料之后材料领域又一重大突破，将对世界科技发展产生重要影响，并有可能成为一种前途不可限量的新型材料。

       超材料的奇特性能正在逐渐被人们认识和发展，基于上述效应的器件如极化转换器、完美吸波体、隐身衣、调制器等已经被开发和应用。

1.超材料隐身技术

       隐身技术是现代军事中具有巨大战术价值和战略威慑作用的一项技术。

       目前隐身技术主要有两大方向：外形改变和吸波材料。其中，吸波材料是指能吸收、衰减入射电磁波，并将电磁能量转换成其他形式的能量而耗散掉，或调制电磁波使其因干涉相消的材料。

       电磁波吸波材料是武器装备的重要材料之一，可以大幅降低飞行器的雷达散射截面积，从而提高其生存防御能力和总体作战性能。然而目前吸波材料的缺陷是应用环境局限性大、维护成本高。

       故超材料出现后，研究人员将其引入雷达吸波材料结构体中，结合其损耗特性和频率响应特性开展广泛研究。

       超材料吸波隐身技术的吸波机理是：在谐振和反谐振区域，标志材料损耗特性的复介电常数和复磁导率的虚部也达到了峰值，这意味着超材料会对电磁波表现出强烈的吸收特性，因而基于超材料可以设计出具有强吸波效应的吸收剂。

       目前，超材料在可见光隐身、红外隐身和声波隐身方面均取得重大进展。

       在光隐身方面，2008年美国加利福尼亚大学在美国国防部和能源部资助下，利用银和镁的氟化物以及纳米银线复合交替堆叠制造出一种“隐身斗篷”，可使自然界中的可见光和近红外光发生逆转。超材料隐身斗篷是这样一种装置：探测波(光波、电磁波或机械波)从外界进入其内部时，将绕过其所覆盖的物体继续沿入射方向传播，没有任何反射与损耗，就像其内部的物体根本不存在一样，从而实现了物体的完美隐身，如图1.2所示。

       2012年，俄罗斯和丹麦研究人员使用掺铝的氧化锌制备了在近红外波段隐身的新型铝：氧化锌/氧化铝材料。

       在红外隐身方面，这类超材料可以对电磁波谱的任意裁剪，实现多波段隐身兼容的红外隐身功能，已实现结构简单、便于制备的柔性、耐磨耐腐蚀和热稳定、还有智能化红外隐身材料。

       在声波隐身方面，2014年，美国杜克大学研制出世界首个三维“隐身斗篷”，可以让声波轻易的绕过，这将对隐身飞行器的开发产生巨大的推动作用。

       超材料既可以单独作为吸波材料使用，也可以与传统吸波材料复合，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，制备出满足微波隐身“薄、轻、宽、强”要求的新型复合吸波材料。

       作为结构型的超材料，在作为隐身材料使用时，由于其工作频率、介电常数和磁导率等电磁参数的易调节性，容易实现超材料的吸波层与自由空间的阻抗匹配，从而大幅度减少反射波强度罩。

       目前，深圳光启高等理工研究院掌握的超材料隐身蒙皮技术在电性能上已经接近甚至超越国内同行业的龙头单位，在机械和其它物理性能上也正开展大量研究，以加快该技术的工程化应用。

2.超材料特种天线罩技术

       由于天线罩的存在，电磁波需要穿透天线罩才能被雷达天线所接收。电磁波由于阻抗不同而在的分界面上发生反射，从而会造成电磁波能量的损耗。

       对于雷达天线来说，电磁波穿透天线罩时至少会发生2次反射，严重地影响雷达天线接收的信号的质量。

       尽管制造天线罩的材料一般都是反射较少的透波材料，但要增加天线的厚度以使其满足耐压性能，无疑会降低天线罩的透波率，从而影响雷达天线接收电磁波。

       基于超材料概念开发的天线罩、滤波罩、雷达罩，不仅可以满足系统对机械性能的要求，并且保证了电磁波能量的有效透射，可用于雷达天线和通信天线的外罩，以将天线置于其内保护起来，防止恶劣环境对天线工作状态的影响与干扰。

       军用飞机的天线罩除保护天线免受环境影响之外，还需要为天线提供隐身防护功能，免受敌方雷达的探测。传统透波材料制成的天线罩在增加厚度以满足耐压性能的同时，往往会因为热损耗和反射损耗等因素使天线的辐射方向图性变差，降低天线的性能。

       在雷达罩中引入超材料覆层，可以不改变雷达罩外形，使电磁波只能在垂直方向附近的小角度内传播，其他方向的传播被限制。

       2008年，法国科学家设计了一种开口环共振器结构的超材料雷达罩，操作频率为2.17 MHz，增益提高了3.4 dB，方向性提高了2.9 dB。

       2012年，美国国防部通过中小企业技术转移项目资助纳米声学有限公司开展有关E-2预警机大型雷达罩材料的研究，目的是利用超材料技术解决E-2原天线罩存在的结构肋条导致天线图产生偏差的问题，取得了较好的效果。

3.超材料特种天线技术

       雷达天线是超材料特种技术的主要应用方向之一，应用方式是将超材料替代传统抛物面天线的反射面和设计共形天线等新型态雷达天线。

       超材料的技术特点主要包括电磁特性和物理特性两个方面。

       在电磁特性方面，通过对超材料内部空间各项·电磁参数的设计，可实现电波传播方向调整、波束赋形、极化旋转、电磁透明等功能。与传统的抛物面天线相比，超材料天线可以对天线口径场进行精确设计，使天线具有接近理想口径分布时的方向图特性；通过超材料天线的不同设计，其工作频率范围可适应多种雷达工作频段，天线可实现低副瓣设极，极化设计灵活。

       在物理特性方面，与传统的反射面天线相比，超材料天线具有密度小、厚度薄等特点，在同等电性能条件下，可较大幅度地降低雷达天线的重量和口径；从天线形式上，超材料天线通过微结构电参数设计实现波束赋形，便于采用平板形式或与装载载体共形设计，天线可拼装、折叠，维修性好，同时便于架设和撤收；随着工程化技术的深入研究，超材料天线的刚强度、抗腐蚀、温湿度等特性也逐渐满足雷达工作环境的要求。

       采用超材料制作的平面天线替代传统抛物面天线的反射面，一方面带来的是形状更流线化、尺寸小型化、设备减重；另一方面可对参数进行调整，使电磁波可以多向、多个频率的传播。

       2011年，美国洛马公司开发了一种可用于卫星等航天器的新型三维超材料天线，具有低能耗、质量轻、宽带大、能量利用率高和价格便宜等优点，对降低航天器的发射费用和结构质量具有重要作用。

       2012年，印度国家技术研究所采用左手和右手结合的传输线型超材料设计了椭圆形零阶谐振天线，目的是解决零阶谐振天线工作频带带宽比较窄的问题。

       2014年4月，BAE系统公司和伦敦大学玛丽女王学院联合研制出一种可用于新型天线透镜的新型复合材料，可使电磁波通过平面天线透镜聚焦，并具有良好的带宽性能。该突破解决了传统材料工作波段窄的问题，可以用于制造嵌入蒙皮的天线，从而提高隐身能力，甚至使飞机、舰艇、无线电和卫星等天线设计产生变革。

       R. W.Ziolkowski等人从原理上证明了通过左手材料的相位补偿原理可以改变天线的匹配负载、提高天线辐射效率。如果用左手材料层将电小天线包围起来，可使电小天线的辐射阻抗由容性转变为感性，相当于在天线周围增加了阻抗匹配网络。若左手材料层设计得当就能提高天线辐射效率，这为解决电小天线的低辐射效率问题提供了一种可行的手段。

发展趋势及应用领域

       超材料被Science杂志在2003和2006年两度被评为十大科技进展之一。正是因为这些潜在而有趣的应用前景，全世界科学家们对于超材料这一领域的研究方兴未艾，发达国家高度重视超材料的研究并给予长期支持。

       美国军方确定超材料技术率先应用于最先进的军事装备。2012年，美国国防部长办公室将超材料列为六大颠覆性基础研究领域之一，美国军方支持超过90家企业进入超材料研究应用领域。

       日本政府也将超材料列入学术研究的重点，成立了各种超材料研究所，并表示在下一代战斗机中将使用超材料技术。

       俄罗斯也将超材料技术列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。

       在航天领域上逐步应用也是美国、日本、俄罗斯等国家开展超材料应用研究的拓展方向。

我们的服务

       我们在北京航空航天新材料产业集群新材料技术成果对接会上，充分了解了中国航天科工集团对于超材料的迫切需求。

       针对需求方提出关于石墨烯材料的应用背景和指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，挖掘高校科研院所的现有技术成果。

       未来，我们将组织高校科研院所与需求方进行深度对接，共同研究航空航天用超材料的解决和应用方案，探讨双方深度合作与发展模式。

参考： 

        Pendry JB, Schurig D, Smith D R. Controlling Electromagnetic Fiel ds[J]. Science.2006, 312 (5781): 1780-1782.

          Ziolkowski R W, Kipple A D, Application of double negative materi als to increase the power radiated by electrically small antennas[J] IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003, 51(10), 2626-2640.