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開發對國防工業和武器裝備的發展起著決定性的作用。行業內有著“一代材料，一代裝備”的說法。

在軍用飛機領域，材料的進步對戰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。結構重量的減少意味著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。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。

超材料可說是近年來在媒體上出鏡率較高的科技界“明星”之一，原因就在于超材料在全球范圍內廣受重視，世界工業強國大都劃撥專項資金，全方位啟動了與之密切相關的研究計劃。在這些國家科學家鍥而不舍和孜孜不倦的努力下，如今超材料的研究和應用都取得了很多重要進展或重大成功，它在航天、通信、電力、制造、建筑、新能源、電子器件、醫學治療、測量成像、國防軍事和日常生活等方面的應用已開始走出實驗室，不斷展現出良好的發展潛力和廣闊的應用前景。據此，有專家和媒體表示“超材料有著神奇的特性”，甚至聲稱“超材料無所不能”，并預測“未來，超材料或將改變世界”。

一、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，而空間里的光線同樣可以彎曲，前提是設計并制作出足夠小的“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，并在理論上預測了這種“反常”的材料。近年來，科學家沿著菲斯拉格的理論，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、無線電波、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并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，它們的奇特性質源于其精密的幾何結構以及尺寸大小。其中的微結構，大小尺度小于它作用的波長，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開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，目前已應用于單層及多層太赫茲（THz）頻域（30μm-3mm）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，然后用顯影液進行溶解，得到所需的圖案，再進行金屬層或介質層的沉積。由于采用極小波長的電子束，這種工藝可以得到比標準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于半導體，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。由于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戰的核心技術之一。


二、超材料的特性和國防軍事應用展望

人們當前發現的超材料所具備的特性有很多，其中對國防軍事領域最有吸引力的包括超常電磁、導電、光學、仿生、疏水等別具一格的重要特性。利用具有這些特性的超材料，可以極大地改進武器裝備的性能或設計制造出全新的武器裝備，為提高部隊的作戰能力和打贏現代化戰爭奠定物質基礎。

1. 超材料不反射電磁波，能實現隱身隱形

傳統常規材料構成的物體，會把照射到其上的絕大部分電磁波反射回去，被雷達、光電等探測裝備捕獲，或被人的裸眼覺察到，所以無法做到隱身隱形。但超材料通過細微的幾何單元構形和排列，讓電磁波的折射率被人為控制，使照射到物體表面的微波、紅外和光波等特定頻率的電磁波彎曲后“繞道”而行，或者像流水一樣自如地滑過物體表面前行，不再發生電磁波的反射現象，從而無法被探測到或看到。這與現在主要采用隱身外形設計和隱身涂層的方法，通過散射和吸收電磁波實現隱身的作用機理截然不同。所以，超材料隱身隱形具有顛覆性的影響，能為作戰平臺和武器裝備制成隱身蒙皮，在不改變它們外形特征和不影響它們動力學特性的情況下，使它們具備雷達和紅外隱身性能，甚至能對超材料同時通過結構的疊加設計，制成科幻電影中超人用的隱身斗篷，讓披掛上它的士兵既能對光波隱形，又能對特定頻率的聲音隱聲，在戰場上達到古往今來人們一直苦苦修煉的“來無形、去無蹤”的效果。

2. 超材料電磁波反射強烈，能實現“顯身”

電子戰中，在對抗敵方雷達探測時，經常要采用電子欺騙，這其中有一種手段要用到由三塊相互垂直的金屬平板制成的角反射器，它放到目標周邊適宜的地點，就能以較大的散射截面對入射電磁波進行強烈的反射，以此形成功能性假目標并產生“顯身”效應，目的是隱真示假，迷惑和誘騙敵方的雷達，掩護真目標。但傳統材料構成的角反射器，金屬板較厚、重量也很重。而更大的缺陷是，它對不同工作頻率的雷達波反射的強弱不一樣，帶來實際應用上的局限性，有時難以發揮出欺騙效果。其實，按照入射波的頻率大小對單元結構進行周期性地排列，能復合成一種厚度很薄、強度很高、反射能力更好，并對特定頻段內的電磁波都有很好反射作用的超材料。用這種超材料制作角反射器，不但整體重量輕，便于攜帶、布設和撤收，對雷達波反射更強；更絕的是，它對不同頻率的雷達波的散射截面都基本相同，從而能有效對抗不同頻率的雷達或探測能力更強的變頻雷達，更好地實施電子欺騙。

3. 超材料聚束好，能實現電磁波方向可控

雷達和通信等軍用電子系統及正在實用化的微波武器系統的天線，為保持高的強度、強的耐腐性、好的方向性，當用傳統的常規材料制造時，總體上說難以克服厚度大、重量重、口徑寬等缺陷。但用超材料制作，因為它經過了細致入微的結構和電磁參數設計，能大大降低材料的質量密度，提高其柔韌性及強度和抗腐蝕能力，并可在很大程度上控制或操縱電磁波和聲波的傳輸過程，所以由超材料構造的天線，不僅重量輕、厚度薄、強度高、抗腐蝕，可省去外部起保護作用的天線罩，而且天線的聚束能力強、工作頻帶寬、信號損失少、環境適應性好、口徑可制作得更小，并擁有可控的電磁波方向和很強的目標追蹤能力，信號發射和接收效能都很高，且其良好的柔韌性能實現與載體彎曲表面的有機融合或共形設計，進而增強系統的隱蔽性，并有利于對天線的拼裝和折疊，便于部隊作戰時的攜帶、架設和撤收，提高作戰的機動能力。
4.  超材料導電率極高，能實現工作時不發熱

用硅和鍺等半導體材料制作的晶體管、集成電路和芯片等電子器件，受導電率的制約，工作時都要發出很多熱量，特別是在長時間或保持高性能運行時。這一方面白白耗費了能量，降低了器件性能的發揮，另一方面還必須用風扇和散熱器等附屬設施進行降溫散熱，以維持電子電氣設備性能、避免引發故障，這勢必增大了電子電氣設備的重量和體積，增加了成本。而超材料卻不同，它能像石墨烯材料一樣，被用人工方式構造成單原子層，不過其原子為其他（如錫）原子而非碳原子，因此能產生石墨烯都無法達到的導電水平——室溫下100%的導電率（即零電阻率），從而對電子器件帶來革命性的影響。這就是說，用超材料為基材制作的電子器件，能具備超常的導電特性，工作時不再會帶來發熱現象，所以當被用于雷達、通信等軍用電子設備和武器裝備中，能極大降低它們的重量和體積、降低成本，同時提高可靠性，增強性能，延長工作時間。



5. 超材料光學性能奇異，能實現平面聚焦

傳統的照相機、攝像機等光電成像設備，最關鍵的部分就是光學鏡頭，它往往是由一組不同厚度和高拋光面的玻璃透鏡構成。當物體的反射光穿過光學鏡頭時，利用光的折射現象把光聚焦到一點后就能對物體成像。光學鏡頭在成像設備中，首先是體積和重量很大，其次因為通光量有限存在像差，降低了對物體的成像質量。如果采用對微觀單元重組和排列的方式，按照光波的傳輸要求對材料進行特殊設計，就能構造出由不同化合物嵌套的、具備神異光學特性的超材料，進而制造出所謂的平面透鏡，它能利用二維平面、以非常規的方式聚焦光線對物體成像。超材料的平面透鏡成像時，不需要鏡頭或配套的任何移動零部件，且基本無需考慮通光量問題，因而不會出現像差。由此構成偵察衛星的光學成像系統，不但結構簡單、重量輕、體積小、可靠性高，便于衛星攜載和火箭發射，明顯提升衛星的隱蔽性，增加衛星生存能力，延長衛星壽命，而且衛星在偵察時光波傳輸能力強，對地面目標成像效果優異。
6. 超材料具備仿生特性，能實現傷口自愈合

眾所周知，人類和動物包括植物受傷后，都能在一定程度上自體療傷、快速自動愈合傷口，表現出強大的自修復和自愈合能力，但很多其他物體（特別是非生物的）卻沒有這種能力。利用材料復合技術，通過內嵌和結構編碼或重組，可以制造出具備不可思議的自愈合能力的超材料，它能模仿動物或植物的體內滲液修復方式，自動愈合傷口。由此，就能把這種具備仿生能力的超材料，作為坦克、戰機、艦艇等作戰平臺或武器裝備的基本構材。這樣的超材料不但擁有作戰平臺或武器裝備所要求的所有特性，而且能在表面出現破損或受到戰傷時，利用內嵌的“血管系統”，滲出一種特殊修復液體——也可是另一種超材料，填充、覆蓋裂縫或損傷部位并快速抹平和凝固，實時完成傷口的自修復和自愈合，真正實現軍隊長期追尋的、作戰平臺和武器裝備在戰時“輕傷不下火線”的目標，讓它們有必要的完好率，能連續作戰并完成作戰任務。

7. 超材料擁有疏水特性，能實現防水抗腐蝕

普通的材料，如木板、塑料和金屬等，甚至表面光澤平滑陶瓷和玻璃，浸入水中拿出后不可能一點水都不沾。但構造成微納米結構表面，對表面粗糙度進行人工設計和搭配，并用專門溶液浸泡處理后得到的超材料，從水中取出卻能像荷花一樣“出污泥而不染”，不但不會帶出任何水珠，表面仍然十分干爽，說明超材料產生了很好的疏水特性。想想看，把這種超材料用于艦艇或水中武器的外表面，可在表面形成一層空氣墊，改變艦艇、水中武器與水的接觸狀態，使它們在水上航行或水下潛行時所受阻力更小，極大地提高它們的航速或攻擊速度。同時，再結合超材料所具備的良好的疏水特性，還能抵抗高鹽分雨水、海水和霧氣及微生物的侵蝕，增強不得不長期浸入水中的艦艇的抗腐蝕和防銹能力，降低艦艇的維護保養難度和費用，延長艦艇的使用壽命，讓艦艇長久保有“金剛不爛”之身。
三、超材料將改變未來戰爭形態

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線下隱形，人類有史以來第一次實現了“隱身斗篷”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，當光線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，入射光線和折射光線處在于界面法線方向同一側，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。
光操縱超材料的納米結構能夠以特定的方式對光線進行散射，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、無線電波。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

此后，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線的速度，從而使覆蓋物和被覆蓋物一同消失。

這種隱形并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范圍內隱身。

未來戰場中，某超級大國空軍有人及無人戰機協同作戰，這些戰機裝備了先進超材料隱身技術，使戰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，對手戰機甚至沒有升空作戰就被擊毀在地面。未來，掌握先進超材料技術的一方對戰場態勢洞若觀火，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戰略優勢，將成為改變未來戰場態勢的關鍵技術。
四、走出實驗室，中國走在前列

由于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，美國國防部還專門啟動了關于超材料的研究計劃，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家企業及機構開展超材料應用研究，領域涵蓋雷達導彈天線罩、通信天線、電磁波隱身、光波隱身、聲波隱身技術等。目前，美國F-35隱身戰斗機、B-2戰略轟炸機以及DDG-1000濱海戰斗艦上都應用有超材料技術。

相比于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，并在世界超材料產業化競爭中占到先機。

據報道，中國的超材料技術方面獲得突破性的進展，將這些技術放到戰機上就會具有隱身能力。而本身就擁有隱身能力殲20的將更加完善，在技術方面世界領先直追美國。
超材料雖然是人工制造的，但是在其性能上已經超過了傳統的天然型復合材料。據了解，這一點經過了重工業技術部的測驗，曾多次實驗超材料在不同環境內的隱身能力，最終結果在性能上和重量等方面都超越了其他材料。將超材料使用在戰機上，可以讓其隱身作用更加完善，讓“非隱身戰機”擁有隱身能力，也同樣可以讓“隱身戰機”擁有更好的隱身能力。

中國研發隱形戰機的技術越發成熟，殲20是其中隱形戰機的代表，開始批量生產。之前殲-20和殲-10等其他戰機的模擬空戰中，擊落比例完勝，完勝記錄0:10，證明我國解放軍在空中戰力方面獲得了很大提升。使用超材料之后殲-20的隱身能力升級，由于具備優異的隱身能力，在現代戰場上面對雷達和預警機方面，可以縮短被發現的距離。甚至可以在合適的距離上突破對方的防空網，這是最主要的關鍵節點。擊破敵方的防空網，可能會出現戰場信息偵察一邊倒的情況。
 殲20是世界上第一款可以全隱身的戰機，現有的戰機都只能針對某一區間內波段雷達實現隱身的功能，但是要是遇到特定的波段或者頻率，隱身效果就要大打折扣。而超材料的應用使得殲20隱身能力達到一個質的飛躍，甚至可以吸收全波段的雷達，或者繞行，成為真正的隱身黑洞。作為世界上實現全隱身的第一款戰機，在戰場上任何國家都不能小覷殲20。而中國已經擁有殲-20這樣的隱形戰機，可以最大程度發揮解放軍空軍的力量，我國的科技技術的發展代表著我國的空軍實力已經可以和世界強列相比。

最近還有官方指出，中國在超材料這一領域上的優勢可以在未來很長一段時間內都沒有對手，就算是美國這樣的技術強國，在這方面的研究都是步履蹣跚。我國在超材料上已經建立了首條生產線，實現了隱身和防結冰等多種超材料的批量生產。國內有一種可以根據雷達探測的頻率和波段實現自身雷達波吸收，實現自適應調節的超材料已運用在了殲20身上，而美國的隱形戰機目前都還沒有采取這一技術，可能會在計劃中的六代機才能使用該技術，研究技術直接落后于中國十年或者二十年時間。而殲20采用的新技術已經世界領先，成為我國人民的驕傲。

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，隨著全球“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游，將受益于新型裝備的加速列裝，及超材料用量占比持續提升，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戰場態勢的塑造，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，將成為美國尖端裝備最擔心的強勁對手。

五、超材料的光明未來

超材料可以擁有眾多超常的能力或魔幻般的特性，這為其國防軍事應用描繪出了一幅令人向往的美好藍圖。雖然如此，人類迄今對超材料的研究總體上說尚處于非常初級的階段，其許多特性還只是“初顯神威”，它“超”什么和如何奇妙還體現得遠遠不夠，所以展現的魔力十分有限。比如，媒體對它最熱衷的也是出鏡率最高的隱身隱形性能，也只是主要表現在了電磁波的微波范圍，且波段很窄；對波長較短的紅外光，還有波長更短的可見光，其隱身斗篷效應尚難全面顯現和發揮出實用性效果。再比如，超材料的自愈合能力，也只能對較為細小的裂縫實現，用于面積更大“傷口”，它的自愈合效果尚難達標。還有，超材料的強度、柔韌性、導電性、可調性等尚難充分體現，或者說具備這些特性的超材料還難以大規模制備。所有這些，都影響了超材料的實用化進程。

然而，超材料目前存在的問題或出現的挫折，應該是任何科學技術在發展過程中的“慣例”。所以我們應該有信心，未來伴隨著諸如3D打印、人工智能、納米、量子等技術的發展和應用，只要進一步改進現有的材料復合制造技術，或者找到更加實用和經濟的結構制造方法，比如在非常細微甚至微納米尺度上重組或編碼超材料的結構，就可能精確控制其力學和電磁等性質的“一舉一動”。到那時，超材料目前所面臨的令人望而卻步的諸多問題都將迎刃而解，其最好的時代就會到來——人們可以游刃有余地開發出各種功能性或綜合性超材料，使超材料更好地發揮出人類社會發展的物質基礎和先導作用，真正像媒體所預測的那樣“無所不能”，擔當起“改變世界”的重任，并促進武器裝備性能的躍升或催生出全新的武器裝備，進而“顛覆未來作戰”。