趙治亞：超材料高端裝備

1、趙治亞：超材料高端裝備7月28日，中國電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心與遠(yuǎn)望智庫聯(lián)合舉辦了“新挑戰(zhàn)、新理念、新技術(shù)未來戰(zhàn)爭研討會”，來自權(quán)威機(jī)構(gòu)共13名專家，對前沿科技和未來戰(zhàn)爭相關(guān)問題，進(jìn)行全面深入解析，展開廣泛交流和探討。來自軍方、國防工業(yè)部門以及科研院校近60人0參加了會議。超材料高端裝備趙治亞深圳光啟高等理工研究院（在未來戰(zhàn)爭論壇上的報告）感謝中國電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心和遠(yuǎn)望智庫提供這么好的一個平臺，我們大家進(jìn)行思維的交流和互動。我們一直是從事于超材料的技術(shù)及裝備的研究，我們想在這里從超材料，從材料的這個角度以及在國內(nèi)外的應(yīng)用情況和對未來戰(zhàn)爭的影響。從這塊跟大家分享一下我們的心得。概述這塊的特殊之處

2、，因為超材料整個從概念到技術(shù)它還是一個相對來講比較新的程度。而且它的成熟度尤其是以200年6開始為一個起點(diǎn)。所以從這個角度上來講大家從美國也好，從中國也好，大家的起跑的時間是一致的。尤其是我們的幾位院長，原來在美國的這個領(lǐng)域研發(fā)的核心團(tuán)隊，所以在這塊我們更看重的是這個里面的發(fā)展的時間窗口。誰能更有效地把握住時間窗口，還有像上午專家所說的，更快地進(jìn)行研究里面的迭代，誰就更有可能去把握先機(jī)影響到未來的戰(zhàn)場。圖1下面的報告想從三個方面跟大家簡要地介紹一下。第一個可能大家對于超材料從原理到技術(shù)到應(yīng)用可能還不是很熟悉。想對超材料進(jìn)行一個電磁材料進(jìn)行一個介紹。第二個主要是從國內(nèi)外的超材料的發(fā)展還有超材料武

3、器裝備上面的發(fā)展進(jìn)行介紹，尤其是以國外的武器裝備發(fā)展的情況為主。還有第三個也想簡要地介紹一下我們對于未來裝備發(fā)展，尤其是我們超材料能夠在未來裝備發(fā)展里面所產(chǎn)生的作用和影響。超材料介紹圖圖比較好地介紹了超材料的基本的原理。根據(jù)我們的國家標(biāo)準(zhǔn)這個標(biāo)準(zhǔn)里面的描述，超材料的定義是什么呢？就是一種特殊的復(fù)合材料或者是結(jié)構(gòu)，通過對于材料的關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序的結(jié)構(gòu)設(shè)計，來使它進(jìn)行常規(guī)材料所不具備的這種超常物理性質(zhì)。如果是針對電磁波的頻譜，我們可以根據(jù)電磁波頻譜工作的波長取這個波長的四分之一到二十分之一波長這樣的一個尺寸。比如在厘米級和毫米級的這樣的一個尺寸我們對它進(jìn)行人工的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和排布方式進(jìn)行一個設(shè)計

4、，可以看到比如說類似于這樣的二維的柔性的超材料，和三維的這種超材料的設(shè)計，從而達(dá)到一個傳統(tǒng)的介質(zhì)材料所不能達(dá)到的，對于電磁波的調(diào)控的影響。所以它的整個的超材料的核心就是針對于我所要工作的這個波長進(jìn)行有序的結(jié)構(gòu)和排布設(shè)計，從而達(dá)到我們可以人工定制化地去調(diào)制電磁響應(yīng)的這么一個特點(diǎn)。為什么說在發(fā)展起步也都比較新，也都是近期的發(fā)展。它也是受制于一個是計算機(jī)的設(shè)計的能力，還有微納加工的能力。正是由于其他的能力，包括材料方面的共同的提升才催生了交叉的學(xué)科的誕生和發(fā)展。這個就是說我們不僅僅是對于比如說這種金屬上面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序設(shè)計，包括在材料里面的，通過材料層內(nèi)的一些結(jié)構(gòu)上面的一些改變，也可以滿足這種功能

5、材料和器件的這種特殊的需求。整個超材料技術(shù)它的核心，它可以進(jìn)行有目的的，可以對于電磁波進(jìn)行一些調(diào)制。舉例來說這個是我們可能報道得比較多的，對于光的一個復(fù)折射的一個物理現(xiàn)象。還有我們可以實現(xiàn)在物理上面是一種平面的形態(tài)，但可以實現(xiàn)電磁，電磁這種曲面的反射的這種情況。還有我們可以對于這種極化進(jìn)行調(diào)制，電磁波的垂直水平極化的調(diào)制。還有我們可以對于通過光學(xué)變換對電磁波進(jìn)行一些空間的扭曲，這個可以實現(xiàn)隱身衣和電磁隱身。圖3所以總結(jié)起來來說超材料可以從以下幾個維度對于電磁波進(jìn)行一個控制。比較好理解的是頻率這個域，我們通過對材料的電磁色散進(jìn)行設(shè)計。舉一個例子比如說我們可以對于材料在預(yù)警雷達(dá)的這個頻段使它呈現(xiàn)金

6、屬的特性。而在火控雷達(dá)的頻段可以使它呈現(xiàn)高透波的特性。不同的電磁波看過去的時候，它一會是金屬，一會是介質(zhì)材料。這個就是它的典型的特點(diǎn)。還有對于空域上面我們可以對于電磁輻射在空間的這個方向圖的這種調(diào)配。包括在時間域上面，我們現(xiàn)在有這種可控的超材料，可以在時間，甚至是調(diào)制解調(diào)編碼上面，以及能力，還有剛才說的極化方面這么幾個維度共同地去有更多元化的調(diào)制的能力。我們都知道化學(xué)元素它有一個化學(xué)元素的周期表。超材料它的關(guān)鍵就在于它對于不同的金屬微結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)電的微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計。我們現(xiàn)在也在致力于打造人工超材料微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。其實它不同的微結(jié)構(gòu)以及不同的排布方式，它會對應(yīng)不同的功能。比如說頻率選擇透波，

7、頻率選擇吸波，還有散射，還有偏折等等的這些特性，我們自己也在構(gòu)建人造的物質(zhì)數(shù)據(jù)庫。后面在設(shè)計的時候其實我們就可以通過需求的導(dǎo)入之后我們通過從庫里面來查找相應(yīng)的電磁響應(yīng)特性的結(jié)構(gòu)，我們就可以完成這個設(shè)計了。超材料的整個的發(fā)展受到了學(xué)術(shù)界廣泛的重視。也可以看到這個年頭并不久。在200年3的時候它是比科學(xué)雜志也是我們這個學(xué)術(shù)界里面頂級影響因子的雜志，評為世界十大科技突破。在200年7的時候，被材料科學(xué)的這個領(lǐng)域被評為過去50年之間的10大科學(xué)進(jìn)展。也可以看到年也僅僅是年以前它被評為過去年中最重大的十大科技突破之一。這個是我們光啟高等理工研究院院長劉若鵬博士做實驗的時候的一個照片。200年9他把他們整

8、個團(tuán)隊包括大衛(wèi)斯密斯他的導(dǎo)師團(tuán)隊的研究成果也發(fā)表在科學(xué)雜志這個論文上面,那是200年9。我們這個光啟是201年0成立的,整個發(fā)展我們跟世界是同一個起跑線上，而且我們在工程化的應(yīng)用上面，大家都在同一個時間窗口。所以我們現(xiàn)在也在緊鑼密鼓怎么樣去抓住時間的窗口，拉大技術(shù)上面的差距，這個是我們想要做的。超材料它正朝著多學(xué)科和多領(lǐng)域交叉方向地去發(fā)展。它具體包括智能結(jié)構(gòu)，天線傳感等等。國外也對超材料整個的應(yīng)用做了一個分析。整個超材料的市場如果按照超材料的類型來分，有電磁，電磁端的頻譜再往高，有太赫茲包括光學(xué)，還有頻率選擇表面，還有非線性超材料。如果按照裝備來分，在應(yīng)用里面有天線，有超透鏡，還有隱身裝置以及

9、吸波材料等等。這塊后面我們在講國外裝備的時候跟大家詳細(xì)地來介紹。從應(yīng)用來講很大一塊在航空航天以及國防軍工這個領(lǐng)域，還有醫(yī)療設(shè)備，光學(xué)，傳感和移動通訊，無線通訊領(lǐng)域。還有從地域來分，有北美，歐洲，環(huán)太平洋，以及其他的區(qū)域。國內(nèi)外超材料發(fā)展情況圖4下面想跟各位詳細(xì)地匯報一下國內(nèi)外尤其是國外的超材料發(fā)展以及超材料裝備上面的一些發(fā)展情況?？梢钥吹匠牧弦呀?jīng)是當(dāng)今最熱門的顛覆性技術(shù)。自從200年0開始逐漸從學(xué)術(shù)上面的研究包括剛才專家也展示了美國的技術(shù)成熟度的分級。它的這個技術(shù)成熟度也是由于當(dāng)時解決了超材料低頻，頻帶的這個問題之后成熟度大大提升了,并轉(zhuǎn)到軍工應(yīng)用領(lǐng)域,所以幾位院長沒有再去參與到這個里面的研

10、究。在美國、俄羅斯、北約和日本等國家都受到了相當(dāng)大的重視。一些重大的軍工公司包括洛克希德馬丁，波音，雷神等等。雷神公司它其實是有自己的公司內(nèi)刊的。這個在互聯(lián)網(wǎng)公開渠道都可以獲得。大家感興趣的話也可以去看。還有這個軍工公司，都有投入專門的研究經(jīng)費(fèi)去支持這方面的研究。圖5剛才講到了超材料在學(xué)術(shù)上面的重要的地位，下面這里匯報的是它對于美國軍方和一些研究機(jī)構(gòu)對于超材料的定位。它被美國國防部辦公室列為六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一。還有被美國的空軍科學(xué)研究辦公室列為十大關(guān)鍵領(lǐng)域之一。還有被美國的，他們一般都是研究年到20年未來的技術(shù)。它一般不會研究10年以內(nèi)的技術(shù)，被列為強(qiáng)力推進(jìn)的增長領(lǐng)域。包括我們之前也從

11、公開和一些其他的渠道可以調(diào)研到它這方面的資料。但自從201年0左右它這方面的工作，好多會議方面的資料逐步對外封鎖了，變成秘密的會議了。在201年5的時候我們也調(diào)查到，從財報的年報上面看到在超材料這個領(lǐng)域上面的投資增長的速度很快，為。我們也從國外的這個研究預(yù)測在202年0到202年5的年復(fù)合增長率會達(dá)到。美國它有一個比較好的機(jī)制，它會通過和會去支持中小企業(yè)，尤其是這種科技創(chuàng)新型企業(yè)不斷地進(jìn)行研究。那也可以從這個方面看出來哪些技術(shù)是這種戰(zhàn)略新興技術(shù)和正在被美國軍方高度重視的這樣的一個技術(shù)。他們支持了超過10余0家的，超過60個合同來進(jìn)行超材料的應(yīng)用研究。圖6下面簡單地舉幾個關(guān)鍵的合同跟大家簡要地匯

12、報一下。它整體的應(yīng)用領(lǐng)域涉及到雷達(dá)罩，導(dǎo)彈天線罩，陶瓷基的，還有艦艇的吸波材料，還有寬幅大面積的低成本的吸波材料的制備技術(shù)，電子站雷達(dá)，無人機(jī)雷達(dá)，超材料通訊天線，還有機(jī)載天線和聲學(xué)超材料隱身技術(shù)，這個主要是應(yīng)用在水上艦艇，水下潛艇。其中的一個典型的，的預(yù)警機(jī)被稱為美國的國家的瑰寶。預(yù)警機(jī)的大蘑菇，預(yù)警雷達(dá)的這個我們叫做大蘑菇，它的設(shè)計過程之中就發(fā)現(xiàn)因為大蘑菇里面有一些支撐結(jié)構(gòu)。由于它的支撐結(jié)構(gòu)造成了對于電磁方向圖會產(chǎn)生這種畸變。在這個項目里面他們就著重怎么樣去研究，通過里面的材料的電磁散射的控制來減弱這種畸變對于雷達(dá)性能的影響，從而消除對于比如說海雜波還有虛警率對于這些指標(biāo)的影響。也可以看時

13、間從開始是201年，它一般這種它會分幾期。這個一般都是在第一期和第二期。可以看出來這塊它整個的經(jīng)費(fèi)來源是從美國海軍的來的。包括還可以查到他們的合同的號碼。這個是美國的先進(jìn)的艦艇，這個艦艇上面大型地應(yīng)用了超材料。這個對于超材料提出來的要求，它有比較寬帶的吸波，尤其是這種低頻的吸波能力，還有它具備大面積大幅度制作的能力，尤其是對于海軍來講還要涉及到一個成本可接受性的方面。這幾方面既對于技術(shù)方面提出了要求，也對于工程化和經(jīng)濟(jì)性，可承受能力上面也提出了要求，以及美國的無人機(jī)系統(tǒng)的共形天線。這種天線既有集中式的，也有分布式的天線。分布式天線也是未來在機(jī)載天線上面分布的一個特點(diǎn)。這個我們可以看到它的開始的

14、時間也是在201年2，也就是在4年以前。主要的研究平臺是無人機(jī)的平臺。下面列了一系列的美國對于的項目的列表。其實比較有意思的是在左邊的這一列。列出來了好多他們美國的公司，包括,還有。這些公司整個在超材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈里面從事設(shè)計和生產(chǎn)這樣的這種公司。實際的應(yīng)用包括低成本的共形的通訊天線，超材料共形天線，包括高強(qiáng)度多功能的電磁超材料，還有包括太赫茲吸波的超材料，還有在光學(xué)領(lǐng)域的以及這種衛(wèi)星通訊領(lǐng)域的。還有就是說在可變輻射系數(shù)涂層，這個也是它的另外一種形態(tài)。以及還有一種紅外控制的，也有正在研究的，因為整個飛機(jī)它的雷達(dá)跟紅外兼容隱身的這種超材料的涂層。后面的詳細(xì)的列表，因為這里僅列舉了一部分的項目，就不

15、詳細(xì)一一贅述了。包括無人機(jī)的共形天線，還有剛才飛機(jī)通訊系統(tǒng)里面的寬頻天線等等都是利用了超材料的技術(shù)。還有超材料在艦船甲板上大規(guī)模地運(yùn)用。這個也是可以，大家感興趣的話也可以從網(wǎng)上搜索。美軍的一些章魚皮的項目，叫做。海軍實驗室它利用聲學(xué)超材料的原理，實現(xiàn)了高效的聲音隱身。因為對于潛艇來說現(xiàn)在最頭疼的就是噪聲上面的，怎么樣去噪降噪的問題。這個不一定是當(dāng)時這個實際使用的，但是是一個原理的這么一個樣件。它采取的做法有點(diǎn)像我們之前在國標(biāo)里面定義的，就是在關(guān)鍵物理尺寸上面對于結(jié)構(gòu)的一個調(diào)配。他采取的做法是什么呢？一個是通過外形的設(shè)計，另外一個是通過在材料里面，比如說通過打孔，通過其他的方式，包括打孔的排布方

16、式，所以使得這個聲波在打到這個表面的時候可以不被更好地吸收。包括雷神公司這個也是我們可以從雷神公司的內(nèi)刊上面看到的。他們對于共形雷達(dá)天線的研究，還有洛馬公司。這個洛馬公司也是跟賓夕法尼亞州立他們合作生產(chǎn)。賓夕法尼亞州立大學(xué)也是美軍在超材料領(lǐng)域研究里面的一個重點(diǎn)的研究機(jī)構(gòu)，包括這個大學(xué)獲得的在其他遙感方面的資助以及波音公司在這個上面的一些投入等等。英國的這個的這個公司他們也在無人機(jī)的這個上面利用了超材料的透鏡的原理。安裝的位置就是根據(jù)他們的公開的報道，就是在前襟這個部位實現(xiàn)在短的距離使這個波速變成平面波速的一個過程。這也是一個智能蒙皮，開啟了智能蒙皮的先河。雖然時間有限我還是想把它這個里面的主要

17、的博士，把他的這個話說一下。就是說超材料技術(shù)的發(fā)展可以讓我們重新地去思考整個飛機(jī)的設(shè)計，在哪些飛機(jī)降低雷達(dá)的散射，還有從減重，減載荷，還有小型化等等方面重新地去思考飛機(jī)的設(shè)計。傳統(tǒng)的材料有頻率頻帶的限制。但這種新型的材料可以給天線提供更好更寬頻的設(shè)計。他們所進(jìn)行的這一項研究，就是學(xué)術(shù)研究和工程化應(yīng)用里面的一個很好的結(jié)合。他們顯示的一種能力，如果說有很好的合作模式和各自都有很好的技能的話，它可以顯示一個完美的結(jié)果。包括在歐洲的薩伯，在鷹獅的某部位，如雷達(dá)罩等方面也應(yīng)用了超材料的技術(shù)，包括我們也比較關(guān)心的日本的心神戰(zhàn)斗機(jī)以及印度開發(fā)的第五代的先進(jìn)中型的戰(zhàn)斗機(jī)。圖7所以從上面的在裝備應(yīng)用里面的應(yīng)用可

18、以看出來超材料技術(shù)已經(jīng)成為世界軍事強(qiáng)國競相角逐的重要的一個領(lǐng)域。我國也加快加緊對于超材料研究的這個步伐，并且這個技術(shù)已經(jīng)逐步納入我國重大的規(guī)劃和重大的項目。包括國務(wù)院的中國制造202里5面以及發(fā)改委發(fā)布的國家十三五規(guī)劃10項0重大工程里面的第38項，以及4個部委，工信部，發(fā)改委，科技部更4個部委聯(lián)合發(fā)出來的，加快新材料產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見，這里面明確就提出來了要積極開發(fā)，包括石墨烯、超材料等等基礎(chǔ)材料的研究和發(fā)展。進(jìn)行這項基礎(chǔ)研究我們也簡單地講一下我們的一些情況。一個是需要很復(fù)雜的設(shè)計的這種手段，數(shù)學(xué)建模手段，統(tǒng)計建模的這些方式。包括硬件上面的設(shè)施，我們搭建了超材料設(shè)計的超算中心、測試中心

19、以及我們的超材料的生產(chǎn)線。因為時間關(guān)系具體就不介紹我們，比如說在這個新興的領(lǐng)域里面，我們牽頭和清華，浙大和東南大學(xué)聯(lián)合完成國家86項3目，包括我們怎么樣在全球主導(dǎo)。因為大家都是在一個起跑線，怎么樣去主導(dǎo)這個規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及我們過去申請的超材料相關(guān)領(lǐng)域的專利數(shù)量占全球過去10年超材料領(lǐng)域的整個數(shù)量的，現(xiàn)在我們已經(jīng)占到了86%。以及我們對于人才的吸收和培養(yǎng)。未來裝備發(fā)展趨勢圖最后一點(diǎn)時間簡要地介紹一下對于未來裝備的發(fā)展趨勢。這個主要我們想因為在座的更多的是專家，不在這里班門弄斧了。我們更多的還是想結(jié)合未來的發(fā)展趨勢，以及我們在思索怎么樣把我們超材料這種先進(jìn)的戰(zhàn)略新興技術(shù)應(yīng)用到里面，或者換句話說怎么樣通過我們的材料的引