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战略前沿技术
赵治亚：超材料高端装备
战略前沿技术
2016-09-04 00:00
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7月28日，中国电科发展战略研究中心与远望智库联合举办了“新挑战、新理念、新技术——未来战争研讨会”，来自权威机构共13名专家，对前沿科技和未来战争相关问题，进行全面深入解析，展开广泛交流和探讨。来自军方、国防工业部门以及科研院校近600人参加了会议。
7月28日，中国电科发展战略研究中心与远望智库联合举办了“新挑战、新理念、新技术——未来战争研讨会”，来自权威机构共13名专家，对前沿科技和未来战争相关问题，进行全面深入解析，展开广泛交流和探讨。来自军方、国防工业部门以及科研院校近600人参加了会议。
超材料高端装备
赵治亚 深圳光启高等理工研究院
（在未来战争论坛上的报告）
感谢中国电科发展战略研究中心和远望智库提供这么好的一个平台，我们大家进行思维的交流和互动。我们一直是从事于超材料的技术及装备的研究，我们想在这里从超材料，从材料的这个角度以及在国内外的应用情况和对未来战争的影响。从这块跟大家分享一下我们的心得。
概述
这块的特殊之处，因为超材料整个从概念到技术它还是一个相对来讲比较新的程度。而且它的成熟度尤其是以2006年开始为一个起点。所以从这个角度上来讲大家从美国也好，从中国也好，大家的起跑的时间是一致的。尤其是我们的几位院长，原来在美国的这个领域研发的核心团队，所以在这块我们更看重的是这个里面的发展的时间窗口。谁能更有效地把握住时间窗口，还有像上午专家所说的，更快地进行研究里面的迭代，谁就更有可能去把握先机影响到未来的战场。
图1
下面的报告想从三个方面跟大家简要地介绍一下。第一个可能大家对于超材料从原理到技术到应用可能还不是很熟悉。想对超材料进行一个电磁材料进行一个介绍。第二个主要是从国内外的超材料的发展还有超材料上面的发展进行介绍，尤其是以国外的发展的情况为主。还有第三个也想简要地介绍一下我们对于未来装备发展，尤其是我们超材料能够在未来装备发展里面所产生的作用和影响。
part 1 超材料介绍
图2
图2比较好地介绍了超材料的基本的原理。根据我们的国家标准GJB 32005-2015这个标准里面的描述，超材料的定义是什么呢？就是一种特殊的复合材料或者是结构，通过对于材料的关键物理尺寸上进行有序的结构设计，来使它进行常规材料所不具备的这种超常物理性质。如果是针对电磁波的频谱，我们可以根据电磁波频谱工作的波长取这个波长的四分之一到二十分之一波长这样的一个尺寸。比如在厘米级和毫米级的这样的一个尺寸我们对它进行人工的拓扑结构和排布方式进行一个设计，可以看到比如说类似于这样的二维的柔性的超材料，和三维的这种超材料的设计，从而达到一个传统的介质材料所不能达到的，对于电磁波的调控的影响。
所以它的整个的超材料的核心就是针对于我所要工作的这个波长进行有序的结构和排布设计，从而达到我们可以人工定制化地去调制电磁响应的这么一个特点。为什么说在发展起步也都比较新，也都是近期的发展。它也是受制于一个是计算机的设计的能力，还有微纳加工的能力。正是由于其他的能力，包括材料方面的共同的提升才催生了交叉的学科的诞生和发展。这个就是说我们不仅仅是对于比如说这种金属上面的微结构进行有序设计，包括在材料里面的，通过材料层内的一些结构上面的一些改变，也可以满足这种功能材料和器件的这种特殊的需求。整个超材料技术它的核心，它可以进行有目的的，可以对于电磁波进行一些调制。举例来说这个是我们可能报道得比较多的，对于光的一个复折射的一个物理现象。还有我们可以实现在物理上面是一种平面的形态，但可以实现电磁，电磁这种曲面的反射的这种情况。还有我们可以对于这种极化进行调制，电磁波的垂直水平极化的调制。还有我们可以对于通过光学变换对电磁波进行一些空间的扭曲，这个可以实现隐身衣和电磁隐身。
图3
所以总结起来来说超材料可以从以下几个维度对于电磁波进行一个控制。比较好理解的是频率这个域，我们通过对材料的电磁色散进行设计。举一个例子比如说我们可以对于材料在预警雷达的这个频段使它呈现金属的特性。而在火控雷达的频段可以使它呈现高透波的特性。不同的电磁波看过去的时候，它一会是金属，一会是介质材料。这个就是它的典型的特点。还有对于空域上面我们可以对于电磁辐射在空间的这个方向图的这种调配。包括在时间域上面，我们现在有这种可控的超材料，可以在时间，甚至是调制解调编码上面，以及能力，还有刚才说的极化方面这么几个维度共同地去有更多元化的调制的能力。我们都知道化学元素它有一个化学元素的周期表。超材料它的关键就在于它对于不同的金属微结构以及导电的微结构的拓扑结构的设计。我们现在也在致力于打造人工超材料微结构数据库。其实它不同的微结构以及不同的排布方式，它会对应不同的功能。比如说频率选择透波，频率选择吸波，还有散射，还有偏折等等的这些特性，我们自己也在构建人造的物质数据库。后面在设计的时候其实我们就可以通过需求的导入之后我们通过从库里面来查找相应的电磁响应特性的结构，我们就可以完成这个设计了。
超材料的整个的发展受到了学术界广泛的重视。也可以看到这个年头并不久。在2003年的时候它是比《科学》杂志也是我们这个学术界里面顶级影响因子的杂志，评为世界十大科技突破。在2007年的时候，被材料科学的这个领域被评为过去50年之间的10大科学进展。也可以看到2011年也仅仅是5年以前它被《science》评为过去10年中最重大的十大科技突破之一。这个是我们光启高等理工研究院院长刘若鹏博士做实验的时候的一个照片。2009年他把他们整个团队包括大卫斯密斯他的导师团队的研究成果也发表在科学杂志这个论文上面,那是2009年。我们这个光启是2010年成立的,整个发展我们跟世界是同一个起跑线上，而且我们在工程化的应用上面，大家都在同一个时间窗口。所以我们现在也在紧锣密鼓怎么样去抓住时间的窗口，拉大技术上面的差距，这个是我们想要做的。超材料它正朝着多学科和多领域交叉方向地去发展。它具体包括智能结构，天线传感等等。国外也对超材料整个的应用做了一个分析。整个超材料的市场如果按照超材料的类型来分，有电磁，电磁端的频谱再往高，有太赫兹包括光学，还有频率选择表面，还有非线性超材料。如果按照装备来分，在应用里面有天线，有超透镜，还有隐身装置以及吸波材料等等。这块后面我们在讲国外装备的时候跟大家详细地来介绍。从应用来讲很大一块在航空航天以及国防军工这个领域，还有医疗设备，光学，传感和移动通讯，无线通讯领域。还有从地域来分，有北美，欧洲，环太平洋，以及其他的区域。
part 2 国内外超材料发展情况
图4
下面想跟各位详细地汇报一下国内外尤其是国外的超材料发展以及超材料装备上面的一些发展情况。可以看到超材料已经是当今最热门的颠覆性技术。自从2000年开始逐渐从学术上面的研究包括刚才专家也展示了美国的技术成熟度的分级。它的这个技术成熟度也是由于当时解决了超材料低频，频带的这个问题之后成熟度大大提升了,并转到军工应用领域,所以几位院长没有再去参与到这个里面的研究。在美国、俄罗斯、北约和日本等国家都受到了相当大的重视。一些重大的军工公司包括洛克希德马丁，波音，雷神等等。雷神公司它其实是有自己的公司内刊的。这个在互联网公开渠道都可以获得。大家感兴趣的话也可以去看。还有BAE这个军工公司，都有投入专门的研究经费去支持这方面的研究。
图5
刚才讲到了超材料在学术上面的重要的地位，下面这里汇报的是它对于美国军方和一些研究机构对于超材料的定位。它被美国国防部办公室列为六大颠覆性基础研究领域之一。还有被美国的空军科学研究办公室列为十大关键领域之一。还有被美国的DARPA，他们一般都是研究10年到20年未来的技术。它一般不会研究10年以内的技术，被列为强力推进的增长领域。包括我们之前也从公开和一些其他的渠道可以调研到它这方面的资料。但自从2010年左右它这方面的工作，好多会议方面的资料逐步对外封锁了，变成秘密的会议了。在2015年的时候我们也调查到，从财报的年报上面看到DARPA在超材料这个领域上面的投资增长的速度很快，为75%。我们也从国外的n-tech Research这个研究预测在2020年到2025年的年复合增长率会达到56%。美国它有一个比较好的机制，它会通过STTR和SBIR会去支持中小企业，尤其是这种科技创新型企业不断地进行研究。那也可以从这个方面看出来哪些技术是这种战略新兴技术和正在被美国军方高度重视的这样的一个技术。他们支持了超过100余家的，超过60个合同来进行超材料的应用研究。
图6
下面简单地举几个关键的合同跟大家简要地汇报一下。它整体的应用领域涉及到雷达罩，导弹天线罩，陶瓷基的，还有舰艇的吸波材料，还有宽幅大面积的低成本的吸波材料的制备技术，电子站雷达，无人机雷达，超材料通讯天线，还有机载天线和声学超材料隐身技术，这个主要是应用在水上舰艇，水下潜艇。其中的一个典型的，E-2的预警机被称为美国的国家的瑰宝。E-2预警机的大蘑菇，预警雷达的这个我们叫做大蘑菇，它的设计过程之中就发现因为大蘑菇里面有一些支撑结构。由于它的支撑结构造成了对于电磁方向图会产生这种畸变。在这个项目里面他们就着重怎么样去研究，通过里面的材料的电磁散射的控制来减弱这种畸变对于雷达性能的影响，从而消除对于比如说海杂波还有虚警率对于这些指标的影响。也可以看时间从开始是2012年，它一般IR它会分几期。这个一般都是在第一期和第二期。可以看出来这块它整个的经费来源是从美国海军的SBIR来的。包括还可以查到他们的合同的号码。这个是美国的先进的舰艇，这个舰艇上面大型地应用了超材料。这个对于超材料提出来的要求，它有比较宽带的吸波，尤其是这种低频的吸波能力，还有它具备大面积大幅度制作的能力，尤其是对于海军来讲还要涉及到一个成本可接受性的方面。这几方面既对于技术方面提出了要求，也对于工程化和经济性，可承受能力上面也提出了要求，以及美国的无人机系统的共形天线。这种天线既有集中式的，也有分布式的天线。分布式天线也是未来在机载天线上面分布的一个特点。这个我们可以看到它的开始的时间也是在2012年，也就是在4年以前。主要的研究平台是无人机的平台。下面列了一系列的美国对于SBIR的项目的列表。其实比较有意思的是在左边的这一列。列出来了好多他们美国的公司，包括Sensor Metrix，Nanosonic还有SI2。这些公司整个在超材料技术产业链里面从事设计和生产这样的这种公司。实际的应用包括低成本的共形的通讯天线，超材料共形天线，包括高强度多功能的电磁超材料，还有包括太赫兹吸波的超材料，还有在光学领域的以及这种卫星通讯领域的。还有就是说在可变辐射系数涂层，这个也是它的另外一种形态。以及还有一种红外控制的，也有正在研究的，因为整个飞机它的雷达跟红外兼容隐身的这种超材料的涂层。后面的详细的列表，因为这里仅列举了一部分的项目，就不详细一一赘述了。包括无人机的共形天线，还有刚才飞机通讯系统里面的宽频天线等等都是利用了超材料的技术。还有超材料在舰船甲板上大规模地运用。这个也是可以，大家感兴趣的话也可以从网上搜索。
美军的一些章鱼皮的项目，叫做Squid Skin。海军实验室它利用声学超材料的原理，实现了高效的声音隐身。因为对于潜艇来说现在最头疼的就是噪声上面的，怎么样去噪降噪的问题。这个不一定是当时这个实际使用的，但是是一个原理的这么一个样件。它采取的做法有点像我们之前在国标里面定义的，就是在关键物理尺寸上面对于结构的一个调配。他采取的做法是什么呢？一个是通过外形的设计，另外一个是通过在材料里面，比如说通过打孔，通过其他的方式，包括打孔的排布方式，所以使得这个声波在打到这个表面的时候可以不被更好地吸收。包括雷神公司这个也是我们可以从雷神公司的内刊上面看到的。他们对于共形雷达天线的研究，还有洛马公司。这个洛马公司也是跟宾夕法尼亚州立他们合作生产。宾夕法尼亚州立大学也是美军在超
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