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多年艱苦攻關，隱身超材料領域我國大有作為？

文章來源：賢集網更新時間：2022-12-13 16:41:43

隱身技術按應對的探測手段可分為可見光隱身、雷達隱身、紅外隱身、激光隱身、聲隱身等。雷達隱身是隱身領域最主要的需求，采用的技術手段包括外形隱身技術和材料隱身技術等；紅外隱身是第二大隱身需求，采用的技術包括控制物體表面的發射率、控制物體表面溫度等。

電磁超材料是目前隱身材料發展的最新方向。超材料是一類具有自然界材料所不具備的超常物理性質的等效均勻人工復合結構和復合材料，超材料在軍工領域的成熟應用主要集中在吸波性能、隱身性能及天線通信性能方面。

一、超材料，高隱身性

所謂超材料，即新型人工媒質，是21世紀學術圈出現的一個新學術名稱，用于描述由兩種或兩種以上的自然媒質結構單元按照特定的規則組合而成的具有亞波長微納結構的人工復合材料，其電磁響應不僅取決于組成媒質的固有屬性，而且還由其微納結構的形狀、尺寸、排列、組合方式等決定。通過有序而合理的設計超材料在其結構上的關鍵物理尺寸，可以實現對電磁波的任意裁減和對某些自然規律的突破，從而獲得自然界固有的普通煤質所不具備的超常功能，如負折射、逆多普勒效應、超分辨率成像，進而實現定制化電磁功能的需求。通過對超材料的研究，總結出其最重要的三個特征：

超材料是一種更新、更強大的隱身技術，有望實現真正的雷達隱身。

第一，超材料是由人工亞波長微納結構排列組成的復合材料，其諧振單元的尺寸遠小于它的工作波長，使得整體滿足等效媒質理論，在宏觀上可以等效成均勻媒質；

第二，超材料具有某些自然材料不具備的超常電磁特性，如負介電常數、負磁導率、負折射率、負光壓、逆切倫科夫輻射效應；

第三，超材料的超常特性不僅決定于形成材料的物質的本征性質，還決定于其中的電磁諧振器的微納結構、尺寸、排列組合方式等。

作為具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料，截止目前而言，超材料已經發展出的“超材料”，包括“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等。其中，“左手材料”是近年來世界范圍內最受關注的超材料類型。“左手材料”可以在一定的頻段下同時具有負的磁導率和負的介電常數，即可以對電磁波的傳播形成“負的折射率”，這意味著什么呢？負的折射率，意味著該隱身材料不會讓電磁波反射，但也不是讓電磁波吸收，“負的折射率”可以引導被物體阻擋的電磁波繞著走，從而實現完美隱身。有此奇特的功能，這種材料制作而成的隱身蒙皮將可以使未來的六代機超越F-22，實現完全的隱身，令反隱身雷達徹底無計可施。

實際上，隨著研究日益深入，人們逐漸認識到單純的左手材料已經無法滿足某些應用需求，如折射率漸變透鏡、透波隱身技術等。目前所講的超材料概念所包含的內容非常廣泛，可以看作是21世紀對新型人工媒質一種表述。超材料不僅包括介電常數和磁導率同時為負的材料，也包括介電常數或磁導率單獨為負或介于0到1之間的特殊材料，甚至包括、聲子晶體、光子晶體、高阻抗表面、超磁性材料、金屬水、氣凝膠等其他人工電磁結構。超材料不僅僅是一種材料形態，更代表著一種全新的材料設計理念，即逆向設計思維，需要什么樣的響應，設計相應的微納結構。

因此，其在衛星通信、電磁傳播及探測、生化檢測、功能器件及材料及器件等領域有著廣闊的應用前景。美國國防部部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一；美國空軍科學研究辦公室把超材料列入“十大關鍵領域”之一；美國國防部先進研究項目局把超材料定義為“強力推進增長領域”。超材料技術使美國海、陸、空軍裝備被雷達發現和鎖定的概率大幅下降，獲得壓倒性的不對稱戰略優勢。

目前，超材料包括“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等

超材料的研究雖然僅有十余年的時間，但已經極大地豐富了新穎材料的設計理念，未來發展在立足現有的研究成果基礎上尋求理論上的突破和結構上的重大創新。目前，超材料在電磁隱身、變換光學等方面已取得豐碩的研究成果，但自適應超材料、量子超材料等還處于萌芽階段。未來，超材料朝著寬頻、可調、低損、超薄、各向同性的方向健康快速發展。總之，超材料未來的發展離不開工藝精度的提高，結構設計的優化、新材料的挖掘，其奇異電磁響應特性在新型功能電磁器件中有著巨大的應用潛力和想象空間。

二、競爭格局：產業壁壘較高

2.1 國內競爭格局：市場尚處早期階段，主要玩家分占細分領域

由于對技術、原料及軍品資質要求較高，國內隱身材料市場尚處于早期階段。當前僅有華秦科技、佳馳科技和光啟技術實現了批產放量，因此占據了絕大部分的市場份額，而新勁剛的隱身產品則尚處于驗證階段，未實現放量。其中華秦科技于 22 年上市，佳馳科技正在沖擊上市，光啟上市較早，17 年開始整合超材料隱身業務。同時以華秦科技為例，公司于 1996 年便開始了隱身材料的相關研究，直到 2016 年才初步實現了產業化， 2019 年實現批產放量，可見該行業技術壁壘之高。若暫時不考慮較低端的偽裝市場以及較小的聲學隱身材料市場，該領域主要企業包括華秦科技、佳馳科技、光啟技術，其他為新勁剛等公司。

由于天然隱身材料的材料壁壘主要在于吸波劑或者填料的配方，這些配方往往需要多年的實驗才可以確定，行業壁壘較高，而超材料方面技術原理則和天然材料完全相反，對于市場的潛在新廠商來說，需要前期巨大的研發投入和早期便進入相應的型號預研。

2.2 國外競爭格局：產品標準化程度較高，軍民融合成效顯著

對比全球，我國當前的隱身技術已步入世界先進水平，但由于海外發達國家如美國、英國等隱身技術起步較早、因此市場相對成熟，企業較多，代表企業如萊爾德（杜邦子公司）、Intermat defense、Hyper stealth technologies Pvt. Ltd、Micromag、MAST Technologies、MWT Materials 及 ARC 技術（赫氏子公司）。其中萊爾德的產品主要應用于通訊設備和雷達隱身，產品廣泛應用在 F-22、F-35、“愛國者”導彈、“長弓”阿帕奇直升機等各類武器裝備上；愛默生康明微波主要用于軍標測試暗室和信息安全屏蔽室；ARC 技術則應用于航天航空裝備，如 F-35、陣風戰斗機、UH-60M 黑鷹等。國外隱身市場的特點是產品標準化，往往一款隱身產品能適用于多個型號飛機，定制化程度相比國內較低，市場集中度不如中國，由于涉及國家較多，因此隱身材料的企業也遍布全球。具體到公司來看，業務軍民融合較為普遍，民用商品往往能占到公司業務較大比重，以萊爾德為例，2017 年其民品業務占比超過了 60%。

三、我國在超材料領域，不輸國外

相比于不少國家相對分散的發展模式，中國在超材料領域的發展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計劃、973計劃、國家自然科學基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術介質基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，我國企業取得了多項原創性成果，并在世界超材料產業化競爭中占到先機。曾在美國留學并在《科學》雜志發表關于新型超材料寬頻帶隱身衣論文的劉若鵬無疑是其中代表。

2010年，以劉若鵬博士為首的5位留學生團隊回國創辦了深圳光啟。經過幾年發展，該公司已在世界范圍內申請超過2800件專利，約占相關領域專利申請總量的86%，該公司還在創建基于超材料的智慧社區、無線互聯、航空航天等領域的產業化方面走在世界前列，如其全球首條超材料微結構精試線，設備定制化程度高達70%，可實現高達2微米的工藝精度。他們還設計了超材料生產標準化流程。

2018年3月5日，中央電視臺播出的《大國重器》節目第八集首次披露，中國在全世界首次完成超材料量產

以其設計的電磁超材料天線為例，運用一塊可折疊為筆記本大小的電路板，飛機、火車、輪船、汽車就能在移動網絡鞭長莫及的偏遠地方連接衛星寬帶上網。不管衛星在天空中的哪個地方，該天線都能追蹤到，不必像傳統的碟形天線一樣總朝一個方向盯著一顆衛星。

此外，為了打破歐美對超材料技術標準的壟斷，我國電磁超材料技術及制品標準化技術委員會已經審查和報批了國家標準《電磁超材料術語》。這意味著，我國在全球率先制定出超材料領域的國家標準，將對我國在超材料技術的研究和標準轉化起到重要作用。

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