改变未来战争形态！超材料：“中国制造”的全面领先，将是美国“噩梦”的开始

 

材料技术是社会发展的物质基础和先导，也是一个国家国防力量最重要的物质基础。国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者，新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。行业内有着“一代材料，一代装备”的说法。

在军用飞机领域，材料的进步对战机的升级换代起到关键的支撑作用。比如，为达到结构减重、满足高温条件下结构强度要求及实现结构的隐身要求等。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷，不仅可以增加飞行距离，而且可以提高单位结构重量的效费比。目前，钛合金、复合材料、超高强度钢、高温合金等结构材料以及光电功能材料、贮氢材料、隐身材料等功能材料在航空、航天、船舶、兵器行业得到大量应用，而这些传统高新材料非常依赖各类稀缺资源，因此必须探索创造能超越常规材料物理性质极限的新型材料。

超材料可说是近年来在媒体上出镜率较高的科技界“明星”之一，原因就在于超材料在全球范围内广受重视，世界工业强国大都划拨专项资金，全方位启动了与之密切相关的研究计划。在这些国家科学家锲而不舍和孜孜不倦的努力下，如今超材料的研究和应用都取得了很多重要进展或重大成功，它在航天、通信、电力、制造、建筑、新能源、电子器件、医学治疗、测量成像、国防军事和日常生活等方面的应用已开始走出实验室，不断展现出良好的发展潜力和广阔的应用前景。据此，有专家和媒体表示“超材料有着神奇的特性”，甚至声称“超材料无所不能”，并预测“未来，超材料或将改变世界”。

神奇的超材料

根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯曲，前提是设计并制作出足够小的“设备”。1968年，前苏联物理学家菲斯拉格(Veselago)提出了介电常数和磁导率可能同时为负的理论，并在理论上预测了这种“反常”的材料。近年来，科学家沿着菲斯拉格的理论，依靠一些间隔仅有1毫米的几千分之一的人工结构，将材料的单元结构集合，通过不同的结合结构和排列设计制造出各种超材料，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想。

“超材料（Metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，能实现天然材料望尘莫及的弯曲、散射或传输电磁波等特殊性能。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。

超材料的设计思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工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”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。

超材料作为一种新型功能性材料，它的制造工艺及其复杂，主要包括印刷电路板工艺、光刻工艺、掩膜印刷法、电子束刻蚀工艺等。其中，光刻工艺是将光敏高分子制成一定图形的抗蚀性膜，再用化学或电化学方法进行腐蚀或电镀的加工工艺，目前已应用于单层及多层太赫兹（THz）频域（30μm-3mm）超材料的制造。电子束工艺是利用极小波长的电子束在高加速电压下对基片上的抗蚀剂（PMMA、ZEP等）进行曝光，在抗蚀剂中产生具有不同溶解性能的区域，然后用显影液进行溶解，得到所需的图案，再进行金属层或介质层的沉积。由于采用极小波长的电子束，这种工艺可以得到比标准光刻工艺更小的纳米尺度。超材料制造技术需要微纳米尺度上的光刻和蚀刻工艺，由此可见，超材料制造工艺更加类似于半导体，而与单纯的其它基础性材料或者普通复合材料大相径庭。

超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，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设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。由于具有自然材料不具备的超分辨成像、电磁隐身和电磁吸波等方面超常规物理性能，超材料将是未来电子信息化作战的核心技术之一。

超材料的特性和国防军事应用展望

人们当前发现的超材料所具备的特性有很多，其中对国防军事领域最有吸引力的包括超常电磁、导电、光学、仿生、疏水等别具一格的重要特性。利用具有这些特性的超材料，可以极大地改进武器装备的性能或设计制造出全新的武器装备，为提高部队的作战能力和打赢现代化战争奠定物质基础。

1. 超材料不反射电磁波，能实现隐身隐形

传统常规材料构成的物体，会把照射到其上的绝大部分电磁波反射回去，被雷达、光电等探测装备捕获，或被人的裸眼觉察到，所以无法做到隐身隐形。但超材料通过细微的几何单元构形和排列，让电磁波的折射率被人为控制，使照射到物体表面的微波、红外和光波等特定频率的电磁波弯曲后“绕道”而行，或者像流水一样自如地滑过物体表面前行，不再发生电磁波的反射现象，从而无法被探测到或看到。这与现在主要采用隐身外形设计和隐身涂层的方法，通过散射和吸收电磁波实现隐身的作用机理截然不同。所以，超材料隐身隐形具有颠覆性的影响，能为作战平台和武器装备制成隐身蒙皮，在不改变它们外形特征和不影响它们动力学特性的情况下，使它们具备雷达和红外隐身性能，甚至能对超材料同时通过结构的叠加设计，制成科幻电影中超人用的隐身斗篷，让披挂上它的士兵既能对光波隐形，又能对特定频率的声音隐声，在战场上达到古往今来人们一直苦苦修炼的“来无形、去无踪”的效果。

超材料可制作隐身衣

2. 超材料电磁波反射强烈，能实现“显身”

电子战中，在对抗敌方雷达探测时，经常要采用电子欺骗，这其中有一种手段要用到由三块相互垂直的金属平板制成的角反射器，它放到目标周边适宜的地点，就能以较大的散射截面对入射电磁波进行强烈的反射，以此形成功能性假目标并产生“显身”效应，目的是隐真示假，迷惑和诱骗敌方的雷达，掩护真目标。但传统材料构成的角反射器，金属板较厚、重量也很重。而更大的缺陷是，它对不同工作频率的雷达波反射的强弱不一样，带来实际应用上的局限性，有时难以发挥出欺骗效果。其实，按照入射波的频率大小对单元结构进行周期性地排列，能复合成一种厚度很薄、强度很高、反射能力更好，并对特定频段内的电磁波都有很好反射作用的超材料。用这种超材料制作角反射器，不但整体重量轻，便于携带、布设和撤收，对雷达波反射更强；更绝的是，它对不同频率的雷达波的散射截面都基本相同，从而能有效对抗不同频率的雷达或探测能力更强的变频雷达，更好地实施电子欺骗。

3. 超材料聚束好，能实现电磁波方向可控

雷达和通信等军用电子系统及正在实用化的微波武器系统的天线，为保持高的强度、强的耐腐性、好的方向性，当用传统的常规材料制造时，总体上说难以克服厚度大、重量重、口径宽等缺陷。但用超材料制作，因为它经过了细致入微的结构和电磁参数设计，能大大降低材料的质量密度，提高其柔韧性及强度和抗腐蚀能力，并可在很大程度上控制或操纵电磁波和声波的传输过程，所以由超材料构造的天线，不仅重量轻、厚度薄、强度高、抗腐蚀，可省去外部起保护作用的天线罩，而且天线的聚束能力强、工作频带宽、信号损失少、环境适应性好、口径可制作得更小，并拥有可控的电磁波方向和很强的目标追踪能力，信号发射和接收效能都很高，且其良好的柔韧性能实现与载体弯曲表面的有机融合或共形设计，进而增强系统的隐蔽性，并有利于对天线的拼装和折叠，便于部队作战时的携带、架设和撤收，提高作战的机动能力。

超材料让电磁波（光波）弯曲

4. 超材料导电率极高，能实现工作时不发热

用硅和锗等半导体材料制作的晶体管、集成电路和芯片等电子器件，受导电率的制约，工作时都要发出很多热量，特别是在长时间或保持高性能运行时。这一方面白白耗费了能量，降低了器件性能的发挥，另一方面还必须用风扇和散热器等附属设施进行降温散热，以维持电子电气设备性能、避免引发故障，这势必增大了电子电气设备的重量和体积，增加了成本。而超材料却不同，它能像石墨烯材料一样，被用人工方式构造成单原子层，不过其原子为其他（如锡）原子而非碳原子，因此能产生石墨烯都无法达到的导电水平——室温下100%的导电率（即零电阻率），从而对电子器件带来革命性的影响。这就是说，用超材料为基材制作的电子器件，能具备超常的导电特性，工作时不再会带来发热现象，所以当被用于雷达、通信等军用电子设备和武器装备中，能极大降低它们的重量和体积、降低成本，同时提高可靠性，增强性能，延长工作时间。

辐射冷却超材料织物

5. 超材料光学性能奇异，能实现平面聚焦

传统的照相机、摄像机等光电成像设备，最关键的部分就是光学镜头，它往往是由一组不同厚度和高抛光面的玻璃透镜构成。当物体的反射光穿过光学镜头时，利用光的折射现象把光聚焦到一点后就能对物体成像。光学镜头在成像设备中，首先是体积和重量很大，其次因为通光量有限存在像差，降低了对物体的成像质量。如果采用对微观单元重组和排列的方式，按照光波的传输要求对材料进行特殊设计，就能构造出由不同化合物嵌套的、具备神异光学特性的超材料，进而制造出所谓的平面透镜，它能利用二维平面、以非常规的方式聚焦光线对物体成像。超材料的平面透镜成像时，不需要镜头或配套的任何移动零部件，且基本无需考虑通光量问题，因而不会出现像差。由此构成侦察卫星的光学成像系统，不但结构简单、重量轻、体积小、可靠性高，便于卫星携载和火箭发射，明显提升卫星的隐蔽性，增加卫星生存能力，延长卫星寿命，而且卫星在侦察时光波传输能力强，对地面目标成像效果优异。

超材料制造人工黑洞

6. 超材料具备仿生特性，能实现伤口自愈合

众所周知，人类和动物包括植物受伤后，都能在一定程度上自体疗伤、快速自动愈合伤口，表现出强大的自修复和自愈合能力，但很多其他物体（特别是非生物的）却没有这种能力。利用材料复合技术，通过内嵌和结构编码或重组，可以制造出具备不可思议的自愈合能力的超材料，它能模仿动物或植物的体内渗液修复方式，自动愈合伤口。由此，就能把这种具备仿生能力的超材料，作为坦克、战机、舰艇等作战平台或武器装备的基本构材。这样的超材料不但拥有作战平台或武器装备所要求的所有特性，而且能在表面出现破损或受到战伤时，利用内嵌的“血管系统”，渗出一种特殊修复液体——也可是另一种超材料，填充、覆盖裂缝或损伤部位并快速抹平和凝固，实时完成伤口的自修复和自愈合，真正实现军队长期追寻的、作战平台和武器装备在战时“轻伤不下火线”的目标，让它们有必要的完好率，能连续作战并完成作战任务。

7. 超材料拥有疏水特性，能实现防水抗腐蚀

普通的材料，如木板、塑料和金属等，甚至表面光泽平滑陶瓷和玻璃，浸入水中拿出后不可能一点水都不沾。但构造成微纳米结构表面，对表面粗糙度进行人工设计和搭配，并用专门溶液浸泡处理后得到的超材料，从水中取出却能像荷花一样“出污泥而不染”，不但不会带出任何水珠，表面仍然十分干爽，说明超材料产生了很好的疏水特性。想想看，把这种超材料用于舰艇或水中武器的外表面，可在表面形成一层空气垫，改变舰艇、水中武器与水的接触状态，使它们在水上航行或水下潜行时所受阻力更小，极大地提高它们的航速或攻击速度。同时，再结合超材料所具备的良好的疏水特性，还能抵抗高盐分雨水、海水和雾气及微生物的侵蚀，增强不得不长期浸入水中的舰艇的抗腐蚀和防锈能力，降低舰艇的维护保养难度和费用，延长舰艇的使用寿命，让舰艇长久保有“金刚不烂”之身。

超材料实现人体隐身

超材料将改变未来战争形态

2006年，多名研究者在美国国防高级研究计划署（DARPA）资助的项目中，成功使用负折射率超材料让一个物体在微波射线下隐形，人类有史以来第一次实现了“隐身斗篷”的梦想，拥有了能使普通物体隐形的方案。在负折射率材料中，当光线从正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光的折射与常规折射相反，入射光线和折射光线处在于界面法线方向同一侧，也就是说，在这种材料中，光出现了异常传播，出现了扭曲的现象，这是一种可以操纵光的材料。

隐形斗篷光学原理图

光操纵超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射，从而达到让物体隐形的目的。根据制作方式和材料的不同，超材料还能散射微波、无线电波。实际上，任何一种电磁频谱都能被超材料所控制。

此后，德国科学家使用一种叫作“径直激光平版刻录”技术制成由微型塑料棒构成的隐形材料片。将上述隐形材料片覆盖在物体上，在红外照相仪观测下，隐形材料改变了覆盖物周围光线的速度，从而使覆盖物和被覆盖物一同消失。

这种隐形并非让物体变得不可见，而是实现在物理上的隐藏。包括美国国防高级研究计划署在内的军方机构，寻求的正是这种隐藏技术，以便让飞机在军事雷达探测范围内隐身。

未来战场中，某超级大国空军有人及无人战机协同作战，这些战机装备了先进超材料隐身技术，使战机雷达反射面达到了恐怖的比0.01平方米还要小一个或几个数量级的程度，进入对手领空如入无人之境，轻松摧毁敌防空阵地、指控中枢等重点军事目标，对手战机甚至没有升空作战就被击毁在地面。未来，掌握先进超材料技术的一方对战场态势洞若观火，而敌方将变成聋子瞎子，只有挨打的份儿。先进超材料技术可使武器装备获得压倒性的不对称战略优势，将成为改变未来战场态势的关键技术。

我国先进隐身战机在航展现场进行了精彩的飞行表演，战机机翼、垂尾、进气道、雷达罩等白色部位即为隐身超材料结构

走出实验室，走向战场，中国走在前列

由于超材料技术在国防军事领域的重要性，美国国防部将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一。包括波音、洛·马及BAE系统公司等军工巨头在超材料研究中投入巨资，此外，美国国防部还专门启动了关于超材料的研究计划，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。据统计，美国军方共支持了超过100家企业及机构开展超材料应用研究，领域涵盖雷达导弹天线罩、通信天线、电磁波隐身、光波隐身、声波隐身技术等。目前，美国F-35隐身战斗机、B-2战略轰炸机以及DDG-1000滨海战斗舰上都应用有超材料技术。

相比于美国超材料技术的发展，中国在超材料领域的发展模式则更加聚焦。我国在973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究均予以立项支持。在超材料隐身技术、声波负折射等基础研究方面，我国企业取得了多项原创性成果，并在世界超材料产业化竞争中占到先机。

据报道，中国的超材料技术方面获得突破性的进展，将这些技术放到战机上就会具有隐身能力。而本身就拥有隐身能力歼20的将更加完善，在技术方面世界领先直追美国。

超材料虽然是人工制造的，但是在其性能上已经超过了传统的天然型复合材料。据了解，这一点经过了重工业技术部的测验，曾多次实验超材料在不同环境内的隐身能力，最终结果在性能上和重量等方面都超越了其他材料。将超材料使用在战机上，可以让其隐身作用更加完善，让“非隐身战机”拥有隐身能力，也同样可以让“隐身战机”拥有更好的隐身能力。

中国研发隐形战机的技术越发成熟，歼20是其中隐形战机的代表，开始批量生产。之前歼-20和歼-10等其他战机的模拟空战中，击落比例完胜，完胜记录0:10，证明我国解放军在空中战力方面获得了很大提升。使用超材料之后歼-20的隐身能力升级，由于具备优异的隐身能力，在现代战场上面对雷达和预警机方面，可以缩短被发现的距离。甚至可以在合适的距离上突破对方的防空网，这是最主要的关键节点。击破敌方的防空网，可能会出现战场信息侦察一边倒的情况。

歼20是世界上第一款可以全隐身的战机，现有的战机都只能针对某一区间内波段雷达实现隐身的功能，但是要是遇到特定的波段或者频率，隐身效果就要大打折扣。而超材料的应用使得歼20隐身能力达到一个质的飞跃，甚至可以吸收全波段的雷达，或者绕行，成为真正的隐身黑洞。作为世界上实现全隐身的第一款战机，在战场上任何国家都不能小觑歼20。而中国已经拥有歼-20这样的隐形战机，可以最大程度发挥解放军空军的力量，我国的科技技术的发展代表着我国的空军实力已经可以和世界强列相比。

最近还有官方指出，中国在超材料这一领域上的优势可以在未来很长一段时间内都没有对手，就算是美国这样的技术强国，在这方面的研究都是步履蹒跚。我国在超材料上已经建立了首条生产线，实现了隐身和防结冰等多种超材料的批量生产。国内有一种可以根据雷达探测的频率和波段实现自身雷达波吸收，实现自适应调节的超材料已运用在了歼20身上，而美国的隐形战机目前都还没有采取这一技术，可能会在计划中的六代机才能使用该技术，研究技术直接落后于中国十年或者二十年时间。而歼20采用的新技术已经世界领先，成为我国人民的骄傲。

有调研公司预测，超材料产业发展将呈现逐年递增态势，预计未来十年复合增长率有望超过20%；可以预计，随着全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大，一个可带动诸如航空航天、国防科技等领域的千亿规模的超材料产业集群正在崛起。超材料作为装备产业链最上游，将受益于新型装备的加速列装，及超材料用量占比持续提升，超材料将持续高速增长。

作为制造业中知识密集、创新活跃、附加值高的关键领域，以超材料为代表的中国先进制造业近年来快速发展。在超材料技术的重要应用方向上，未来隐身装备将决定战场态势的塑造，隐身技术将具有前所未有的重要性。中国从以前隐身装备领域的追赶到现在同步发展，再到未来形成赶超。中国隐身技术，将成为美国尖端装备最担心的强劲对手。

超材料的光明未来

超材料可以拥有众多超常的能力或魔幻般的特性，这为其国防军事应用描绘出了一幅令人向往的美好蓝图。虽然如此，人类迄今对超材料的研究总体上说尚处于非常初级的阶段，其许多特性还只是“初显神威”，它“超”什么和如何奇妙还体现得远远不够，所以展现的魔力十分有限。比如，媒体对它最热衷的也是出镜率最高的隐身隐形性能，也只是主要表现在了电磁波的微波范围，且波段很窄；对波长较短的红外光，还有波长更短的可见光，其隐身斗篷效应尚难全面显现和发挥出实用性效果。再比如，超材料的自愈合能力，也只能对较为细小的裂缝实现，用于面积更大“伤口”，它的自愈合效果尚难达标。还有，超材料的强度、柔韧性、导电性、可调性等尚难充分体现，或者说具备这些特性的超材料还难以大规模制备。所有这些，都影响了超材料的实用化进程。

然而，超材料目前存在的问题或出现的挫折，应该是任何科学技术在发展过程中的“惯例”。所以我们应该有信心，未来伴随着诸如3D打印、人工智能、纳米、量子等技术的发展和应用，只要进一步改进现有的材料复合制造技术，或者找到更加实用和经济的结构制造方法，比如在非常细微甚至微纳米尺度上重组或编码超材料的结构，就可能精确控制其力学和电磁等性质的“一举一动”。到那时，超材料目前所面临的令人望而却步的诸多问题都将迎刃而解，其最好的时代就会到来——人们可以游刃有余地开发出各种功能性或综合性超材料，使超材料更好地发挥出人类社会发展的物质基础和先导作用，真正像媒体所预测的那样“无所不能”，担当起“改变世界”的重任，并促进武器装备性能的跃升或催生出全新的武器装备，进而“颠覆未来作战”。

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来源: qq

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