超材料改變未來战爭形態 中國制造的全面領先 美國噩夢將开始

超材料改變未來战爭形態！“中國制造”的全面領先，將是美國“噩夢”的开始！一代材料，一代裝備

材料技術是社會發展的物質基礎和先導，也是一個國家國防力量最重要的物質基礎。國防工業往往是新材料技術成果的優先使用者，新材料技術的研究和开發對國防工業和武器裝備的發展起着決定性的作用。

行業內有着“一代材料，一代裝備”的說法。在軍用飛機領域，材料的進步對战機的升級換代起到關鍵的支撐作用。比如，為達到結構減重、滿足高溫條件下結構強度要求及實現結構的隱身要求等，90年代後期出現的以美國F-22战機為代表的第五代战鬥機，鈦合金和復合材料用量均大大超過傳統航空金屬材料比例，F-22的結構重量系數降到了27.8％。結構重量的減少意味着可多帶燃油或其他有效載荷，不僅可以增加飛行距離，而且可以提高單位結構重量的效費比。

軍機的換代伴隨着發動機核心材料—高溫合金的升級。第一代渦噴發動機的核心材料是變形高溫合金，核心材料工作溫度650℃，到第四代的渦扇發動機，核心材料工作溫度已經達到了1200℃，採用了單晶高溫合金。新型的先進航空發動機中，高溫合金用量佔發動機總重量的40%-60%以上。在航空工業的發展需求牽引下，中國高溫合金先後研制出了變形、鑄造、等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。上述高溫合金的相繼問世，不斷地推動航空工業向前發展。

目前，鈦合金、復合材料、超高強度鋼、高溫合金等結構材料以及光電功能材料、貯氫材料、隱身材料等功能材料在航空、航天、船舶、兵器行業得到大量應用，而這些傳統高新材料非常依賴各類稀缺資源，因此必須探索創造能超越常規材料物理性質極限的新型材料。

神奇的超材料

根據廣義相對論，時間和空間都是可以“彎曲”的，而空間裏的光线同樣可以彎曲，前提是設計並制作出足夠小的“設備”。

1968年，前蘇聯物理學家菲斯拉格(Veselago)提出了介電常數和磁導率可能同時為負的理論，並在理論上預測了這種“反常”的材料。近年來，科學家沿着菲斯拉格的理論，依靠一些間隔僅有1毫米的幾千分之一的人工結構，將材料的單元結構集合，通過不同的結合結構和排列設計制造出各種超材料，實現了讓光波、雷達波、無线電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。

“超材料（Metamaterial）”指的是一些具有人工設計的結構並呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料，能實現天然材料望塵莫及的彎曲、散射或傳輸電磁波等特殊性能。超材料的成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質源於其精密的幾何結構以及尺寸大小。其中的微結構，大小尺度小於它作用的波長，因此得以對波施加影響。

超材料的設計思想的基礎是通過在多種物理結構上的設計來突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超常的材料功能。

超材料的設計思想昭示人們可以在不違背基本的物理學規律的前提下，人工獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”，把功能材料的設計和开發帶入一個嶄新的天地。

超材料作為一種新型功能性材料，它的制造工藝及其復雜，主要包括印刷電路板工藝、光刻工藝、掩膜印刷法、電子束刻蝕工藝等。其中，光刻工藝是將光敏高分子制成一定圖形的抗蝕性膜，再用化學或電化學方法進行腐蝕或電鍍的加工工藝，目前已應用於單層及多層太赫茲（THz）頻域（30μm-3㎜）超材料的制造。電子束工藝是利用極小波長的電子束在高加速電壓下對基片上的抗蝕劑（PMMA、ZEP等）進行曝光，在抗蝕劑中產生具有不同溶解性能的區域，然後用顯影液進行溶解，得到所需的圖案，再進行金屬層或介質層的沉積。

由於採用極小波長的電子束，這種工藝可以得到比標准光刻工藝更小的納米尺度。超材料制造技術需要微納米尺度上的光刻和蝕刻工藝，由此可見，超材料制造工藝更加類似於半導體，而與單純的其它基礎性材料或者普通復合材料大相徑庭。

超材料的應用與原有的材料制備有很大的區別，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向設計，根據針對電磁波的具體應用需求，制造出具有相應功能的材料。

由於具有自然材料不具備的超分辨成像、電磁隱身和電磁吸波等方面超常規物理性能，超材料將是未來電子信息化作战的核心技術之一。

將改變未來战爭形態

2006年，多名研究者在美國國防高級研究計劃署（DARPA）資助的項目中，成功使用負折射率超材料讓一個物體在微波射线下隱形，人類有史以來第一次實現了“隱身鬥篷”的夢想，擁有了能使普通物體隱形的方案。在負折射率材料中，當光线從正折射率的材料入射到具有負折射率材料的界面時，光的折射與常規折射相反，入射光线和折射光线處在於界面法线方向同一側，也就是說，在這種材料中，光出現了異常傳播，出現了扭曲的現象，這是一種可以操縱光的材料。

隱形鬥篷光學原理圖

光操縱超材料的納米結構能夠以特定的方式對光线進行散射，從而達到讓物體隱形的目的。根據制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無线電波。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

此後，德國科學家使用一種叫作“徑直激光平版刻錄”技術制成由微型塑料棒構成的隱形材料片。將上述隱形材料片覆蓋在物體上，在紅外照相儀觀測下，隱形材料改變了覆蓋物周圍光线的速度，從而使覆蓋物和被覆蓋物一同消失。

這種隱形並非讓物體變得不可見，而是實現在物理上的隱藏。包括美國國防高級研究計劃署在內的軍方機構，尋求的正是這種隱藏技術，以便讓飛機在軍事雷達探測範圍內隱身。

未來战場中，某超級大國空軍有人及無人战機協同作战，這些战機裝備了先進超材料隱身技術，使战機雷達反射面達到了恐怖的比0.01平方米還要小一個或幾個數量級的程度，進入對手領空如入無人之境，輕松摧毀敵防空陣地、指控中樞等重點軍事目標，對手战機甚至沒有升空作战就被擊毀在地面。未來，掌握先進超材料技術的一方對战場態勢洞若觀火，而敵方將變成聾子瞎子，只有挨打的份兒。先進超材料技術可使武器裝備獲得壓倒性的不對稱战略優勢，將成為改變未來战場態勢的關鍵技術。

我國先進隱身战機在航展現場進行了精彩的飛行表演，战機機翼、垂尾、進氣道、雷達罩等白色部位即為隱身超材料結構

走出實驗室，走向战場，中國走在前列

由於超材料技術在國防軍事領域的重要性，美國國防部將其列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一。包括波音、洛·馬及BAE系統公司等軍工巨頭在超材料研究中投入巨資，此外，美國國防部還專門啓動了關於超材料的研究計劃，美國最大的6家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯合基金資助這方面的研究。據統計，美國軍方共支持了超過100家企業及機構开展超材料應用研究，領域涵蓋雷達導彈天线罩、通信天线、電磁波隱身、光波隱身、聲波隱身技術等。目前，美國F-35隱身战鬥機、B-2战略轟炸機以及DDG-1000濱海战鬥艦上都應用有超材料技術。

相比於美國超材料技術的發展，中國在超材料領域的發展模式則更加聚焦。我國在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均予以立項支持。在超材料隱身技術、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，並在世界超材料產業化競爭中佔到先機。

成立於2010年的深圳光啓是我國超材料領域的傑出代表。公开數據顯示，經過12年發展，光啓目前已在世界範圍申請超過6000件專利，約佔相關領域專利申請總量的80%以上，公司還在超材料產業化方面走在世界前列。

在11月13日剛剛結束的第十四屆中國航展上，光啓首次發布了可以實現三維超材料工程化應用的第四代超材料技術，實現了由2D向3D設計的重大技術突破和超材料制造工藝的升級改進，並展示可應用於“陸海空”的近三十種超材料結構件樣品。

光啓董事長劉若鵬在航展現場介紹說，第四代超材料技術具有三大特點，首先它在很多關鍵指標上面有十倍數量級的提升，其次具有更大的超大帶寬特性，第三就是工藝制造結構，可以讓重量更輕。更重要的是，第四代超材料應用範圍進一步提升，“不僅僅應用在機身的關鍵部位上面，它可以覆蓋在裝備全身”。

光啓展出的第一代至第四代超材料結構

超材料結構部件在先進飛行器上的應用展示

作為我國新一代尖端裝備的核心供應商，光啓十年如一日深耕於超材料技術底層基礎科學研究，構建了自主可控全產業鏈體系，是國內唯一一家將超材料技術形成產品並大規模應用於尖端裝備領域的高新科技企業。目前光啓超材料結構件已覆蓋多個裝備體系，幾十個關鍵部位。

航展現場光啓展示的三十余件超材料結構件樣品

有調研公司預測，超材料產業發展將呈現逐年遞增態勢，預計未來十年復合增長率有望超過20%；可以預計，隨着全球“工業4.0”進程持續深化、“智能+”應用領域不斷擴大，一個可帶動諸如航空航天、國防科技等領域的千億規模的超材料產業集群正在崛起。超材料作為裝備產業鏈最上遊，將受益於新型裝備的加速列裝，及超材料用量佔比持續提升，超材料將持續高速增長。

作為制造業中知識密集、創新活躍、附加值高的關鍵領域，以超材料為代表的中國先進制造業近年來快速發展。在超材料技術的重要應用方向上，未來隱身裝備將決定战場態勢的塑造，隱身技術將具有前所未有的重要性。中國從以前隱身裝備領域的追趕到現在同步發展，再到未來形成趕超。中國隱身技術，將成為美尖端裝備最擔心的強勁對手。

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