赵治亚：超材料高端装备

赵治亚：超材料高端装备

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武器装备上面的发展

进行介绍，尤其是以国外的武器装备发展的情况为主。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