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对未来军工领域带来革命性影响的超材料

2018-01-25 16:48:57
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域,将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

    超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计,突破某些表观自然规律的限制,获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域,将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

 

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    新型材料颠覆传统理论

    尽管超材料的概念出现在 2000 年前后,但其源头可以追溯到更早。1967年,苏联科学家维克托 • 韦谢拉戈提出,如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率,电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”,而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界,使光波看起来如同倒流一般,并且在许多方面表现出有违常理的行为,例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出,就被科学界认为是“天方夜谭”。


    随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露,显著提高材料综合性能的难度越来越大,材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高,发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路,成为新材料研发的重要任务。2000 年,首个关于负折射率材料的报告问世;2001 年,美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料;2002 年,美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性;2003 年,由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果,被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后,超材料研究在世界范围内取得了多项成果,维克托 ? 韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。

    现有的超材料主要包括:负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比,超材料主要有 3 个特征:

    一是具有新奇人工结构;

    二是具有超常规的物理性质;

    三是采用逆向设计思路,能“按需定制”。

    负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性,电磁波在该介质中传播时,电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负折射率螺旋定则,因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。负折射率材料的实现使人类具备了自由调控电磁波的能力,这对未来的新一代通信、光电子/微电子以及隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用等技术将产生深远的影响。

    光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构,是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构,可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性,被认为是未来的半导体,对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外 /雷达隐身等领域将产生重大影响。

    部分超材料示例

    “电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞,能够全向捕捉电磁波,引导电磁波螺旋式行进,直至被黑洞吸收,使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现,不仅将为太阳能利用技术增加新的途径,产生全新的光热太阳能电池,还能应用于红外热成像技术,大幅度提高红外信号探测能力。

    频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构,由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其可对不同频段的入射电磁波进行有选择性的发射或传输,已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中,也可用于反射面天线的负反射器,以实现频率复用,提高天线的利用率。

    巨大价值引发全球关注
    
    超材料研究的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出的革命性应用前景,使其得到了美国、欧洲、俄罗斯、日本等国政府,以及波音、雷神等机构的强力关注,现在已是国际上最热门、最受瞩目的前沿高技术之一。2010 年,美国《科学》杂志将超材料列为 21 世纪前 10 年自然科学领域的 10 项重大突破之一。当前,国外的研究领域己涉及超材料基本原理和特性、超材料实验验证、超材料设计、超材料加工制造和超材料的应用。

    美国国防部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一,美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划;美国空军科学研究办公室把超材料列入“十大关键领域”;美国最大的6 家半导体公司英特尔、AMD 和 IBM 等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了 50 多位相关领域顶尖的科学家聚焦这一领域的研究,并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划,至少支持两个关于超材料技术的研究项目,每个项目约为 30亿日元(约合 1.5 亿人民币),同时将超材料列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。

    在多个项目的支持下,超材料技术取得了一系列新进展。例如,美国能源部劳伦斯 · 伯克利国家实验室与加利福尼亚大学合作完成了负折射率材料太赫兹频率特性的研究探索;美国加利福尼亚大学完成了利用负折射率材料精确控制光线速度和方向的研究;美国普渡大学和诺福克州立大学合作完成了负折射率材料对光线吸收的研究;2013年以来,美国陆军和普渡大学研究了在特定的电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身材料;美国劳伦斯 · 伯克利国家实验室的研究团队制造出了全球首个非线性零折射率超材料,通过这种材料的光在各个方向都会得到增强;2014年,法国国家科学研究中心和法国波尔高等化学物理学院的研究人员通过结合物理化学组成和微流体技术,研发出了第一个三维超材料。

    使用超材料的隐身衣

    在超材料应用方面,有关国家和机构近年来启动了多项研究计划。如DARPA 实施的负折射率材料研究计划;美国杜克大学开展的高增益天线超材料透镜研究,以及可升级和可重构的超材料研究等。此外,还有近百家美国企业获得小企业创新计划和企业技术转移资助计划资助,对超材料技术进行了大量研究和产品转化。目前,超材料领域已初步形成的产品包括超材料智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、通信天线、无人机载雷达等。

    神奇功能改变未来作战

    超材料因其独特的物理性能而一直备受人们的青睐,在军事领域具有重大的应用前景。近年来,超材料在隐身、电子对抗、雷达等领域的应用成果不断涌现,展现出巨大应用潜力和发展空间。

    隐身是近年来出镜率最高的超材料应用,也是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向,如美国的 F-35 战斗机与 DDG1000 大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。未来,超材料在电磁隐身、光隐身和声隐身等方面具有巨大应用潜力,在各类飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用,使军事隐身技术发生革命性变革。超材料实现隐身与传统隐身技术的区别是,超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过被隐藏的物体,在技术上实现真正意义上的隐身。

    在电磁隐身方面,2006 年,美国杜克大学与英国帝国学院合作提出了一种微波频段的电磁隐身设计方案,这种设计方案由 10 个同心圆筒组成,采用矩形开口环谐振器单元结构,实验结果证实负折射率材料用于物体的隐身是可行的。2012 年,美国东北大学采用掺杂钪的 M 型钡铁氧薄片和铜线组合,设计和试验了可在 33 ~ 44 吉赫兹电磁波段实现可调的负折射率材料。美国雷神公司开发了“透波率可控人工复合蒙皮材料”,该材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面,通过控制加载在可变电容上的偏置电压,可以改变频率选择表面的电磁参数,从而实现材料透波特性的人工控制,可应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮。

    在光学隐身方面,2012 年,加拿大超隐形生物公司发明了一种名为“量子隐身”的神奇材料。它能使周围光线折射而发生弯曲,从而使其覆盖的物体或人完全隐身,不仅能“骗”过人的肉眼,在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功隐身。这种材料不仅能帮助特种部队在白天完成突袭行动,而且有望在下一代隐形战机、舰艇和坦克上应用。2014 年,美国佛罗里达大学的研究团队研制出一种可实现可见光隐身的超材料,实现这一技术突破的关键是利用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料。纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射率,使光从其周围绕过而实现隐身。

    在声隐身方面,2011 年,美国杜克大学卡默尔教授的团队开发出一种二维声学斗篷,能使 10 厘米大小的木块不被声波探测到。2014 年 3 月,杜克大学制造出世界上首个三维声学斗篷,它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置,能使入射声波沿斗篷表面传播,不反射也不透射,实现对探测声波的隐身。三维声学斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成,能在 3 千赫兹的声波下表现出完美的隐身效果,验证了声学斗篷应用于主动声呐对抗的可行性。此外,美海军自主开发一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术,制造一种六角形晶胞结构的铝材料,并将其纳入潜艇艇壳外覆盖的静音材料内,实现对声波引导,达到隐身目的。声隐身超材料技术的发展将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响,有可能改变未来水下战场的“游戏”规则。

    除了传统意义上的隐身,最近超材料在触觉隐形上也有了新的突破。2014年,德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用机械超材料制成触觉隐形斗篷。这是一种全新的隐身技术,可以欺骗人体和探测设备的传感器。这种触觉隐形斗篷由超材料聚合物制成,具有特殊设计的次微米精度的晶体结构。晶体由针尖相接触的针状锥组成,接触点的大小需精确计算,以满足所需的机械性能。利用这种超材料制造的隐形斗篷可以屏蔽仪器或人体的触觉,如用隐形斗篷覆盖住放在桌面上的一个突出物体,虽然可见突出物,但用手抚摸时无法感到物体突出,就像抚摸平整的桌面一样。该技术虽然还在纯粹的基础物理研究阶段,但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。

    天线与天线罩是超材料的另一个用武之地。国外众多实验表明,将超材料应用到导弹、雷达、航天器等天线上,可以大大降低天线能耗,提高天线增益,拓展天线工作的带宽,有效增强天线的聚焦性和方向性。

    天线方面,雷神公司研发了超材料双频段小型化 GPS 天线,通过精确的人工微结构设计,可提升天线单元间的隔离度,减少天线原件之间的电磁耦合,从而使天线的带宽得到大幅拓展,其可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。2011 年 2月,洛克希德·马丁公司与宾夕法尼亚大学联合开发了一种新型电磁超材料,可用于在喇叭形卫星天线上,使产品体积更小,制造成本更低,并能够显著提高航天器天线的性能。2014 年,英国 BAE系统公司开发出一种可用于无人机通信的超材料平面天线,可使电磁波在透过平面天线后进行聚焦,在实现对电磁波聚焦的同时保留了平面天线的宽带性能,克服了传统抛物面天线变为平面天线所带来的带宽损失、低增益等问题,同时可实现一个天线替换多个天线,减少天线的数量。这一技术突破可能使飞机、舰艇、卫星等天线的设计产生划时代的变革。

    雷达天线罩方面,在美国海军的支持下,美国公司成功研发出雷达罩用超材料智能结构,并应用于美军新一代的E2“鹰眼”预警机,大幅提高了其雷达探测能力。通过采用超材料的特殊设计,该项目提供了解决传统雷达罩图像畸变的问题,同时这种超材料电磁结构质量轻,方便后期的改装和维护,极大提高了 E2“鹰眼”预警机的整体性能。

    导弹天线罩方面,美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩,可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射,有效提高导弹打击精度。

    用于制作光学透镜的超材料,可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域;高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域;高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012 年,美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究,可用于观察尺寸小于 100 纳米的物体,且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。

    结 语

    超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上,最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下,获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料,一代装备”,创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇?不禁令人无限地遐想和期待。

 

资料来源:网络

标签: 超材料, 军工, 武器装备

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