超材料發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析

韓雅娟 褚文博

超材料（metamaterials）是一種人工電磁功能材料，由經(jīng)過設(shè)計的金屬微結(jié)構(gòu)按既定的排布，鑲嵌在樹脂或陶瓷材料中構(gòu)成，可實現(xiàn)對電磁波的調(diào)制，改變電磁波的傳播方式等。該種材料可突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能，為新材料設(shè)計開發(fā)帶來新的機會。作為一項誕生于2000年的新興交叉學(xué)科，超材料曾兩次入選美國《科學(xué)》雜志“世界十大科技突破”，并于2010年被美國《科學(xué)》雜志評為過去10年中人類最重大的10項科技突破之一。

一、超材料應(yīng)用前景廣闊

超材料融合了電子信息、數(shù)理統(tǒng)計、生物醫(yī)學(xué)、無線通信等新興尖端領(lǐng)域先進技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于航空航天、無線互聯(lián)、生物醫(yī)療等眾多高新技術(shù)領(lǐng)域。因其特殊的電磁性能，超材料在雷達、隱身、電子對抗等諸多技術(shù)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。突破吸波理論極限的超高性能吸波超材料以及透明超材料已在隱身飛機上投入應(yīng)用。超材料電磁薄膜衛(wèi)星平板接收天線實現(xiàn)了平面化，具有小型化、可拼裝的特點，是對傳統(tǒng)拋物面天線的一次革命性技術(shù)創(chuàng)新。采用超材料技術(shù)制造的高頻射頻器件，其體積和質(zhì)量是同類產(chǎn)品的1/4，峰值功率可達同類產(chǎn)品的4倍。此外，采用超材料技術(shù)，針對密度高、流量大、電磁環(huán)境復(fù)雜的WiFi無線覆蓋解決方案也即將投入應(yīng)用。

2013年，全球超材料產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模約2.9億美元。而據(jù)美國BCC Research公司預(yù)測，2019年超材料市場規(guī)模將達到12億美元，2024年則將達到30億美元。預(yù)計2019-2024年的年均復(fù)合增長率將超過20%。其中，電磁超材料將占到全部超材料市場規(guī)模的40%～45%，應(yīng)用前景十分廣闊。

二、發(fā)達國家將超材料列入重要的戰(zhàn)略領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)逐步成熟

美國、日本及歐洲等國家將超材料作為具有國家戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè)，積極投入到超材料技術(shù)的研發(fā)中，力爭在超材料領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。超材料研究得到了美國、日本、歐盟、波音公司、雷神公司等國家或機構(gòu)的長期資助，現(xiàn)已成為國際上最熱門的新興交叉學(xué)科。美國軍方確立超材料技術(shù)率先應(yīng)用于最先進的軍事裝備，包括IBM和Intel在內(nèi)的多家美國著名半導(dǎo)體公司共同出資設(shè)立支持超材料研究的基金。歐盟則對超材料的研究予以重金支持，組織數(shù)十位著名科學(xué)家在超材料領(lǐng)域聯(lián)合攻關(guān)。日本政府撥出巨額資金將超材料作為新學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的重點，并將超材料技術(shù)列為下一代隱形戰(zhàn)斗機的核心關(guān)鍵技術(shù)。同時，各國正積極促進超材料科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化。歐美等發(fā)達國家迅速出現(xiàn)一些專注于將超材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)業(yè)公司，例如，衛(wèi)星通信創(chuàng)業(yè)公司Kymeta專注于超材料衛(wèi)星平板天線的民用化，目前已獲得C輪融資5000萬美元，Metamaterial Technologies Inc.公司則致力于將超材料應(yīng)用于光技術(shù)領(lǐng)域，進而為國防和空間技術(shù)服務(wù)，現(xiàn)已形成大批量生產(chǎn)能力。

三、我國超材料技術(shù)總體處于國際先進水平

我國在超材料領(lǐng)域內(nèi)的研究起步較早，政府十分重視超材料技術(shù)的研發(fā)，并在多項國家重點科研項目中予以立項支持。包括多所著名大學(xué)和研究院所在內(nèi)的科研機構(gòu)對超材料的研究已有十余年，針對超材料在隱身、探測、核磁等多個相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了大量基礎(chǔ)性研究工作，并獲得了一系列原創(chuàng)性成果。部分科研機構(gòu)已研發(fā)了符合工業(yè)標準的超材料，制造出許多高性能超材料器件和產(chǎn)品，包括多功能復(fù)雜曲面超材料電磁罩、超材料超級陣列、高性能超材料天線、迷你基站射頻濾波器、超材料多制式兼容天線等。據(jù)了解，截至2013年，我國科研機構(gòu)已在世界范圍內(nèi)申請了超過2 400件超材料領(lǐng)域核心專利，占該領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?5%。同年，我國在全球范圍內(nèi)率先啟動電磁超材料標準化工作，成立了全國電磁超材料技術(shù)及制品標準化技術(shù)委員會。

四、我國超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題

1.超材料設(shè)計能力有待進一步提升

為滿足對大量超材料微結(jié)構(gòu)的精確仿真和計算，需要不斷優(yōu)化運算模型，并進一步提高超算中心的運算能力。目前，我國在電磁器件仿真實驗、實驗設(shè)計、統(tǒng)計優(yōu)化方面與發(fā)達國家存在一定差距。如在大規(guī)模復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)數(shù)值分析和仿真實驗方面，國外已普遍利用統(tǒng)計建模和優(yōu)化方法來實現(xiàn)電磁器件的設(shè)計和優(yōu)化，并可根據(jù)實際情況對現(xiàn)有方法進行修正和改進，而我國超材料設(shè)計方法仍存在計算效率低、尋優(yōu)算法收斂難等問題。

2.制備加工技術(shù)難以滿足超材料產(chǎn)業(yè)化需求

受制于制備工藝和設(shè)備不完善，現(xiàn)階段我國大部分超材料樣品是在“作坊式”的環(huán)境下制作出來的，部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超材料器件仍需通過手工完成。由此帶來的制備效率低、制備成本高、精細加工能力弱、可重復(fù)性差等問題成為制約超材料大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸。如在微結(jié)構(gòu)共形加工方面，目前尚難以實現(xiàn)復(fù)雜形面三維結(jié)構(gòu)的加工，一般只能通過多塊超材料拼接完成，加工難度大，精度難以滿足設(shè)計要求。而在大幅面超材料微結(jié)構(gòu)制備方面，超材料所要求的線路公差控制要求較高，達標設(shè)備供應(yīng)商數(shù)量有限，貨源不穩(wěn)定。

3.高端測試設(shè)備面臨禁運

西方發(fā)達國家長期對我封鎖超精密測試技術(shù)和儀器設(shè)備，導(dǎo)致我國在超材料的無損檢測領(lǐng)域內(nèi)缺乏有效工具，難以實時監(jiān)控超材料加工質(zhì)量和精度。目前，研究人員大多依賴有損檢測及應(yīng)用效果證實材料的有效性，導(dǎo)致超材料器件制備效率低、制備質(zhì)量差、研制周期長，浪費了大量人力物力和時間成本。

4.超材料服役條件下的適應(yīng)性和可靠性尚需研究

目前，針對超材料性能的研究多在實驗室條件下完成，而在服役條件下則缺乏相應(yīng)的研究手段。探索超材料在服役條件下的性能演變規(guī)律和失效機理，進而改善超材料服役性能，確保使用可靠，將會進一步拓寬超材料的應(yīng)用范圍。

5.商業(yè)模式亟待創(chuàng)新

超材料應(yīng)用前景廣闊，但掌握超材料設(shè)計方法和制備手段的單位數(shù)量較為有限。受困于成本因素，目前超材料僅在軍事國防、部分公共設(shè)施等少數(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并未在國民經(jīng)濟相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模推廣。亟待通過商業(yè)模式創(chuàng)新，實現(xiàn)超材料在多個領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用推廣和市場拓展。

五、多措并舉，促進我國超材料產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展

1.建立標準，規(guī)范產(chǎn)業(yè)秩序

標準化作為支撐科技創(chuàng)新配套鏈條的關(guān)鍵一環(huán)，將有利于推進超材料技術(shù)進步和成果固化，將為超材料產(chǎn)業(yè)的有序化、規(guī)范化、高速化發(fā)展提供技術(shù)支持，將為超材料產(chǎn)品的商業(yè)化、市場化提供保障，有利于引導(dǎo)資源的合理分配，規(guī)范超材料在經(jīng)貿(mào)領(lǐng)域的秩序，統(tǒng)籌超材料上、下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)向，促進超材料市場持續(xù)健康發(fā)展，進而拉動新材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域經(jīng)濟。

2.統(tǒng)籌規(guī)劃，整合現(xiàn)有資源

盡快建立超材料關(guān)鍵、共性技術(shù)研發(fā)和服務(wù)平臺，鼓勵企業(yè)、科研院所、關(guān)鍵用戶開展深層次的合作研發(fā)。成立技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，整合系統(tǒng)資源，為超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)服務(wù)，促進超材料技術(shù)科技成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，進而帶動新材料、新一代信息技術(shù)、高端裝備制造等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)示范引領(lǐng)作用。

3.強化基礎(chǔ)研究，完善制備能力

現(xiàn)階段，超材料技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸來自于加工和測試設(shè)備的缺失，應(yīng)進一步強化超材料技術(shù)的基礎(chǔ)研究，完善基于超材料關(guān)鍵技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計、制備封裝、性能測試、工藝開發(fā)等技術(shù)，突破國外技術(shù)封鎖。

4.積極推動，創(chuàng)新商業(yè)模式

通過需求牽引，積極推動基于超材料技術(shù)的傳統(tǒng)產(chǎn)品升級和產(chǎn)業(yè)化推廣工作，優(yōu)化制備工藝，降低生產(chǎn)成本，重點支持超材料技術(shù)在航空航天、衛(wèi)星通信、無線互聯(lián)等領(lǐng)域的應(yīng)用示范和創(chuàng)新工程。