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多年艱苦攻關(guān)，隱身超材料領(lǐng)域我國大有作為？
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2022-12-13 16:41:43
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隱身技術(shù)按應(yīng)對(duì)的探測手段可分為可見光隱身、雷達(dá)隱身、紅外隱身、激光隱身、聲隱身等。雷達(dá)隱身是隱身領(lǐng)域最主要的需求，采用的技術(shù)手段包括外形隱身技術(shù)和材料隱身技術(shù)等；紅外隱身是第二大隱身需求，采用的技術(shù)包括控制物體表面的發(fā)射率、控制物體表面溫度等。 電磁超材料是目前隱身材料發(fā)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(zhì)的等效均勻人工復(fù)合結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料，超材料在軍工領(lǐng)域的成熟應(yīng)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(zhì)，是21世紀(jì)學(xué)術(shù)圈出現(xiàn)的一個(gè)新學(xué)術(shù)名稱，用于描述由兩種或兩種以上的自然媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元按照特定的規(guī)則組合而成的具有亞波長微納結(jié)構(gòu)的人工復(fù)合材料，其電磁響應(yīng)不僅取決于組成媒質(zhì)的固有屬性，而且還由其微納結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、排列、組合方式等決定。通過有序而合理的設(shè)計(jì)超材料在其結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵物理尺寸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的任意裁減和對(duì)某些自然規(guī)律的突破，從而獲得自然界固有的普通煤質(zhì)所不具備的超常功能，如負(fù)折射、逆多普勒效應(yīng)、超分辨率成像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定制化電磁功能的需求。通過對(duì)超材料的研究，總結(jié)出其最重要的三個(gè)特征： 超材料是一種更新、更強(qiáng)大的隱身技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)真正的雷達(dá)隱身。 第一，超材料是由人工亞波長微納結(jié)構(gòu)排列組成的復(fù)合材料，其諧振單元的尺寸遠(yuǎn)小于它的工作波長，使得整體滿足等效媒質(zhì)理論，在宏觀上可以等效成均勻媒質(zhì)； 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(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、負(fù)光壓、逆切倫科夫輻射效應(yīng)； 第三，超材料的超常特性不僅決定于形成材料的物質(zhì)的本征性質(zhì)，還決定于其中的電磁諧振器的微納結(jié)構(gòu)、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(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，截止目前而言，超材料已經(jīng)發(fā)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(nèi)最受關(guān)注的超材料類型。“左手材料”可以在一定的頻段下同時(shí)具有負(fù)的磁導(dǎo)率和負(fù)的介電常數(shù)，即可以對(duì)電磁波的傳播形成“負(fù)的折射率”，這意味著什么呢？負(fù)的折射率，意味著該隱身材料不會(huì)讓電磁波反射，但也不是讓電磁波吸收，“負(fù)的折射率”可以引導(dǎo)被物體阻擋的電磁波繞著走，從而實(shí)現(xiàn)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(jī)超越F-22，實(shí)現(xiàn)完全的隱身，令反隱身雷達(dá)徹底無計(jì)可施。 實(shí)際上，隨著研究日益深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到單純的左手材料已經(jīng)無法滿足某些應(yīng)用需求，如折射率漸變透鏡、透波隱身技術(shù)等。目前所講的超材料概念所包含的內(nèi)容非常廣泛，可以看作是21世紀(jì)對(duì)新型人工媒質(zhì)一種表述。超材料不僅包括介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料，也包括介電常數(shù)或磁導(dǎo)率單獨(dú)為負(fù)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(jié)構(gòu)。超材料不僅僅是一種材料形態(tài)，更代表著一種全新的材料設(shè)計(jì)理念，即逆向設(shè)計(jì)思維，需要什么樣的響應(yīng)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)。 因此，其在衛(wèi)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)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(chǔ)研究領(lǐng)域”之一；美國空軍科學(xué)研究辦公室把超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”之一；美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局把超材料定義為“強(qiáng)力推進(jìn)增長領(lǐng)域”。超材料技術(shù)使美國海、陸、空軍裝備被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)和鎖定的概率大幅下降，獲得壓倒性的不對(duì)稱戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。 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(shí)間，但已經(jīng)極大地豐富了新穎材料的設(shè)計(jì)理念，未來發(fā)展在立足現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上尋求理論上的突破和結(jié)構(gòu)上的重大創(chuàng)新。目前，超材料在電磁隱身、變換光學(xué)等方面已取得豐碩的研究成果，但自適應(yīng)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(diào)、低損、超薄、各向同性的方向健康快速發(fā)展。總之，超材料未來的發(fā)展離不開工藝精度的提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、新材料的挖掘，其奇異電磁響應(yīng)特性在新型功能電磁器件中有著巨大的應(yīng)用潛力和想象空間。 二、競爭格局：產(chǎn)業(yè)壁壘較高 2.1 國內(nèi)競爭格局：市場尚處早期階段，主要玩家分占細(xì)分領(lǐng)域 由于對(duì)技術(shù)、原料及軍品資質(zhì)要求較高，國內(nèi)隱身材料市場尚處于早期階段。當(dāng)前僅有華秦科技、佳馳科 技和光啟技術(shù)實(shí)現(xiàn)了批產(chǎn)放量，因此占據(jù)了絕大部分的市場份額，而新勁剛的隱身產(chǎn)品則尚處于驗(yàn)證階段，未 實(shí)現(xiàn)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(yè) 務(wù)。同時(shí)以華秦科技為例，公司于 1996 年便開始了隱身材料的相關(guān)研究，直到 2016 年才初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化， 2019 年實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)放量，可見該行業(yè)技術(shù)壁壘之高。 若暫時(shí)不考慮較低端的偽裝市場以及較小的聲學(xué)隱身材料市場，該領(lǐng)域主要企業(yè)包括華秦科技、佳馳科技、 光啟技術(shù)，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(shí)驗(yàn)才可以確定， 行業(yè)壁壘較高，而超材料方面技術(shù)原理則和天然材料完全相反，對(duì)于市場的潛在新廠商來說，需要前期巨大的 研發(fā)投入和早期便進(jìn)入相應(yīng)的型號(hào)預(yù)研。 2.2 國外競爭格局：產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，軍民融合成效顯著 對(duì)比全球，我國當(dāng)前的隱身技術(shù)已步入世界先進(jìn)水平，但由于海外發(fā)達(dá)國家如美國、英國等隱身技術(shù)起步 較早、因此市場相對(duì)成熟，企業(yè)較多，代表企業(yè)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(shù)（赫氏子公司）。其中萊 爾德的產(chǎn)品主要應(yīng)用于通訊設(shè)備和雷達(dá)隱身，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在 F-22、F-35、“愛國者”導(dǎo)彈、“長弓”阿帕奇直 升機(jī)等各類武器裝備上；愛默生康明微波主要用于軍標(biāo)測試暗室和信息安全屏蔽室；ARC 技術(shù)則應(yīng)用于航天航 空裝備，如 F-35、陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)、UH-60M 黑鷹等。 國外隱身市場的特點(diǎn)是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，往往一款隱身產(chǎn)品能適用于多個(gè)型號(hào)飛機(jī)，定制化程度相比國內(nèi)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(yè)也遍布全球。具體到公司來看，業(yè)務(wù)軍民融合較為普遍，民用商品往往能占到公司業(yè)務(wù)較大比重，以萊爾德為例，2017 年其民品業(yè)務(wù)占比超過了 60%。 三、我國在超材料領(lǐng)域，不輸國外 相比于不少國家相對(duì)分散的發(fā)展模式，中國在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項(xiàng)等項(xiàng)目中對(duì)超材料研究予以立項(xiàng)支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)介質(zhì)基超材料以及聲波負(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面，我國企業(yè)取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機(jī)。曾在美國留學(xué)并在《科學(xué)》雜志發(fā)表關(guān)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(xué)生團(tuán)隊(duì)回國創(chuàng)辦了深圳光啟。經(jīng)過幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)超過2800件專利，約占相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量的86%，該公司還在創(chuàng)建基于超材料的智慧社區(qū)、無線互聯(lián)、航空航天等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化方面走在世界前列，如其全球首條超材料微結(jié)構(gòu)精試線，設(shè)備定制化程度高達(dá)70%，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2微米的工藝精度。他們還設(shè)計(jì)了超材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程。 2018年3月5日，中央電視臺(tái)播出的《大國重器》節(jié)目第八集首次披露，中國在全世界首次完成超材料量產(chǎn) 以其設(shè)計(jì)的電磁超材料天線為例，運(yùn)用一塊可折疊為筆記本大小的電路板，飛機(jī)、火車、輪船、汽車就能在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠(yuǎn)地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。不管衛(wèi)星在天空中的哪個(gè)地方，該天線都能追蹤到，不必像傳統(tǒng)的碟形天線一樣總朝一個(gè)方向盯著一顆衛(wèi)星。 此外，為了打破歐美對(duì)超材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的壟斷，我國電磁超材料技術(shù)及制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)審查和報(bào)批了國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語》。這意味著，我國在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國家標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)我國在超材料技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化起到重要作用。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_520353.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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