超材料行業(yè)研究框架

Q1超材料是什么？超材料是一種由人工微結構組成的特種復合材料，通過對材料關鍵物理尺寸上進行有序結構設計，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。超材料的應用與原有的材料制備有很大的區(qū)別，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是根據(jù)需求逆向設計。超材料的超常物理特性主要表現(xiàn)為負介電常數(shù)、負磁導率、負折射率、逆多普勒效應等。超材料根據(jù)設計原理主要分為電磁超材料、聲學超材料、熱超材料。通過電磁超材料來應用和控制負折射率就能改變?nèi)祟惪吹轿矬w的方式，有望應用于光學領域。通過應用電磁超材料，理論上可以制造出可以看到更小物體的特優(yōu)透鏡（理想透鏡）和光學迷彩（隱形衣）。熱超材料可以通過對陽光的反射或吸收來降低設備內(nèi)部的溫升，保護電子設備免受劇烈溫差的影響。聲學超材料除了作為輕量且有效的隔音材料外，還有望提高超聲波傳感器的設置和運用方法以及醫(yī)學中超聲波檢查的靈活性。資料來源：muRata圖1:超材料的分類、功能及應用前景圖2:使用電磁超材料控制光折射率的示意圖資料來源：muRataQ2超材料與天然材料相比有哪些優(yōu)勢？

資料來源：muRata

東興證券研究所 與天然材料相比，超材料的優(yōu)勢是可以由人工設計的結構單元制造出來。天然材料來自自然，易于獲得卻難于設計。超材料正好相反，易于設計，但在很多情況下卻難于獲得。超材料通常由微米或納米級的人工結構單元組成，這些單元按照特定的設計規(guī)則排列，賦予材料獨特的電磁、光學、聲學或力學特性。與傳統(tǒng)材料相比，超材料由人工設計，從而實現(xiàn)對光波、聲波或電磁波的操控，展現(xiàn)出如負折射、完美隱身、超分辨率成像等奇異現(xiàn)象。超材料的特殊物理性質(zhì)是由人工結構決定的，這些特性使超材料能突破一些表觀自然規(guī)律的限制。超材料可以通過控制電磁波（光、電波）和聲波等特定波長波的反射和透射，表現(xiàn)出與自然界中的物質(zhì)不同的行為。超材料中的左手材料同時具有負介電常數(shù)和負磁導率。電磁波在該材料中傳播時的電場矢量、磁場矢量以及波矢量之間的關系將不再遵循經(jīng)典電磁學中的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“左手關系”，這時材料中電磁波的波動方向和能量傳播方向相反，并表現(xiàn)出一系列有違常理的特性，例如光的負折射、反常多普勒效應、倏逝波放大、完美透鏡效應，以及反常切連科夫輻射等。圖3：超材料的超常特性之一：負折射概念圖資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，科學網(wǎng)超材料的超常物理特性主要有：負介電常數(shù)、負磁導率、負折射率、逆多普勒效應、完美透鏡效應等。這些奇異特性不主要取決于構成材料的本征屬性，而是由超材料單元結構的圖案形狀、尺寸、排列方式以及介質(zhì)層的電磁參數(shù)等因素決定。圖4：超材料的主要超常物理特性01020304負折射率光波或電磁波在通過超材料時，其相位和群速度方向相反，自然界的材料不具備這種性質(zhì)逆多普勒效應觀察者離波源（包括聲源、光源）越近，頻率減少或不變完美透鏡效應某些超材料能夠恢復出經(jīng)過物體散射后的消散波，從而突破傳統(tǒng)透鏡的衍射極限，實現(xiàn)超分辨率成像逆Cerenkov輻射效應帶電粒子在介質(zhì)中運動時，介質(zhì)中產(chǎn)生誘導電流，由這些誘導電流激發(fā)次波，當帶電粒子的速度超過介質(zhì)中的光速時，這些次波與原來的電磁場互相干涉，可以形成輻射電磁波。這種輻射稱為Cerenkov輻射。在右手材料中電磁波激發(fā)的輻射以銳角向前散射，而在左手材料中，電磁波的輻射方向發(fā)生了改變。在左手材料中則以鈍角向后散射。作為一大類全新的材料系統(tǒng)，從超材料的研發(fā)到產(chǎn)生顛覆性技術需克服一系列技術障礙。根據(jù)裝備對電磁調(diào)制的不同需求，通過反向設計和特殊工藝實現(xiàn)材料的微結構，就可使該材料在保持承載功能的同時還具備裝備所需的電磁調(diào)制功能。模擬設計技術專用設計尚需完善目前超材料的研究以原理性探索為主，模擬仿真技術基于簡單模型和通用的模擬軟件，而實際應用的器件設計需要考慮多種服役因素、多場耦合和海量計算。制備技術依賴于加工技術超材料制備需要精密的材料加工，特別是一些電磁超材料（如太赫茲以上頻率的電磁超材料）的制備依賴于相關加工技術的進步。工程可行性和服役性能減薄與輕量化超材料由大量的人工結構單元構成，這種單元陣列的可工程化及其服役性能是其應用的難點，利用電磁斗篷實現(xiàn)軍事目標的完美隱身需要在其外面包覆較厚的超材料“鎧甲”，如何將其減薄是一個重要難題。圖5：超材料的主要難點資料來源：《中國工程科學》(清華大學材料學院)整理Q3超材料的應用領域有哪些，市場前景如何?資料來源：中國工程科學圖6：超材料透鏡原理示意圖資料來源：AccSci超材料透鏡是一類典型的顛覆性技術，打破傳統(tǒng)透鏡受到衍射極限的約束限制。傳統(tǒng)光學器件無法對尺度小于半個工作光波長的物體成像，其深層物理原因是常規(guī)介質(zhì)中消逝波的衰減。超材料透鏡會使電磁波中的消逝波成分被放大，其中所攜帶的信息就可以在負折射率介質(zhì)材料中傳播。由負折射材料制備的平板具有成像的功能，物體發(fā)射出的光線會經(jīng)負折射率平板前后界面兩次折射后重新匯聚在一起，進而實現(xiàn)無衍射極限的成像。圖7：超材料透鏡與傳統(tǒng)透鏡對比超材料透鏡在生物、材料、微電子學、光學工程領域都有急切的需求，還可應用到虛擬現(xiàn)實領域（VR眼鏡）上。超透鏡可以對病毒和DNA分子、細胞以及各種材料的顯微結構等在自然環(huán)境中進行直接觀察。同時，基于超材料的完美透鏡可實現(xiàn)亞波長尺度的光刻，一旦實現(xiàn)將使微電子加工技術水平大幅度提高，從而進一步延續(xù)集成電路的摩爾定律。圖8：超材料透鏡的特點資料來源：《中國工程科學》(清華大學材料學院)整理資料來源：中國科學院聲學研究所資料來源：muRata超材料隱身斗篷技術已開始在軍事裝備中獲得應用，超材料隱身技術得到了各國軍工界的廣泛重視。超材料通過控制電磁波的散射和反射，使物體在雷達、紅外線等探測手段下難以被發(fā)現(xiàn)。與傳統(tǒng)隱身技術相比，超材料隱身的特點是靠導引電磁波，而不是靠吸收電磁波，因此沒有目標影子，是國防軍工領域的一項顛覆性技術。該技術也可應用于民用領域，如保護個人隱私等。超材料可以用于制作高靈敏度的天線，實現(xiàn)更高效的信息傳輸。由于超材料對電磁波的高效調(diào)控，超材料天線可以用于檢測微弱信號并增強天線的輻射效率。利用超材料超常的電磁性質(zhì)和高度可設計的特點，人們成功實現(xiàn)了天線的小型化、高效、高增益、共型化、高信號選擇性等優(yōu)勢。由聲學超材料制成的器件可作為吸音、隔音材料被應用于建筑工地或室內(nèi)吸音板，實現(xiàn)降噪。還可以應用于醫(yī)療檢查，為疾病的早期診斷提供更精確的依據(jù)。例如，通過應用超聲波透射超材料能提高物質(zhì)的超聲波透射性，可以進行通常因超聲波無法透過頭骨而無法用于醫(yī)學領域腦部檢查的超聲波回聲檢查。圖9：超材料隱身斗篷技術示意圖（以水缸隱身塊為例） 圖10：通過對超聲波透射性的控制擴大可檢查部位超材料的高效光捕獲能力為太陽能電池的發(fā)展注入了新活力。由超材料推動的一項重大進步是開發(fā)用于吸光技術的表面等離子體和等離子體光學天線。表面等離子激元具有在納米尺度上引導、集中和散射光的能力，這讓它成為增強太陽能電池光吸收的理想選擇。超材料在能源傳輸領域的應用也具有廣闊前景。無線電力傳輸技術：在設備之間沒有物理連接的電能傳輸。在發(fā)射器和接收器之間產(chǎn)生電磁場以傳輸電力，該技術用于無線充電器、生物醫(yī)學植入物和電動汽車等設備。隨著越來越多的設備走向無線化，并且超材料已經(jīng)呈現(xiàn)出使這些系統(tǒng)更高效的希望，對更高效的無線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)的需求不斷增長。圖11：無線電能傳輸(WFT)系統(tǒng)示意圖資料來源：AccSci圖12：超材料在光伏領域應用優(yōu)勢資料來源：

AccSci中國超材料市場規(guī)模快速發(fā)展，預計2029年規(guī)模達316.05億元。鑒于中國在超材料研發(fā)領域的實力，產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步完善的趨勢以及在應用領域的拓展方面還有較大發(fā)展空間的現(xiàn)狀，2022年中國超材料市場規(guī)模總額達到132.67億元，同比增長12.3%。中國超材料市場規(guī)模2018-2022年均復合增長率為24.18%，據(jù)智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院預測，市場規(guī)模在2024-2029年均復合增長率為13.4%，中國市場對超材料的需求仍在快速增長。全球超材料市場總量增長趨勢迅猛，競爭格局為分散型。根據(jù)QYResearch（恒州博智）的統(tǒng)計及預測，2023年全球超材料市場銷售額達到了20.93億美元，預計2030年將達到548.6億美元,

2024-2030年全球超材料市場銷售額的CAGR為60.3%。全球超材料的核心廠商包括光啟科技、

Evolv

Technology、MetaShield LLC.、Pivotal

Commware、Echodyne等，前5大廠商共占有全球市場15%的份額。全球超材料市場競爭日益激烈，主要廠商在技術研發(fā)、市場應用等方面展開競爭，這種競爭有望推動超材料技術不斷進步和應用領域不斷拓展。圖13：

2018年-2022年中國超材料產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模55.7972.393.22118.14132.67140120100806040200市場規(guī)模（億元）13.70%13.60%13.50%13.40%13.30%13.20%13.10%13.00%12.90%3503002502001501005002018 2019 2020 2021 2022 2024 2025 2026 2027 2028 2029資料來源：智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院

資料來源：智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院市場規(guī)模（億元）同比增速圖14：

2024年-2029年中國超材料產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模及同比增速預測Q4超材料技術對于各大科技強國和行業(yè)巨頭的重要性如何?超材料研究的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現(xiàn)出的革命性應用前景，使其得到了美國、中國、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神、光啟技術、英特爾、AMD等軍工巨頭或科技龍頭公司的強力關注。近年來，超材料在隱身、電子對抗、雷達等領域的應用成果不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出巨大應用潛力和發(fā)展空間。未來，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應用潛力，在各類飛機、導彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車輛等方面將得到廣泛應用，使軍事隱身技術發(fā)生革命性變革。超材料實現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱身技術的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術上實現(xiàn)真正意義上的隱身。2010年，美國《科學》雜志將超材料列為21世紀前10年自然科學領域的10項重大突破之一。美國國防部把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一，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(lián)合基金資助這方面的研究。日本和俄羅斯將超材料技術列為下一代隱身裝備的核心關鍵技術。我國也對超材料研究重視度較高，973計劃、863計劃、新材料重大專項、國家自然科學基金等項目中均對超材料研究予以立項支持。資料來源：各公司官網(wǎng)，財富網(wǎng)，百度圖片圖15：波音、雷神、光啟技術、英特爾、AMD布局超材料領域波音雷神Q5超材料技術的發(fā)展會使哪些上下游產(chǎn)業(yè)受益?超材料產(chǎn)業(yè)鏈上游原料、生產(chǎn)環(huán)節(jié)有望受益。石墨烯和玻璃纖維作為制造超材料的主要原材料，隨著超材料的應用領域不斷擴展和市場需求總量的提升，相關產(chǎn)業(yè)的需求和市場規(guī)模有望進一步水漲船高。過去5年內(nèi)中國石墨烯和玻璃纖維行業(yè)的市場規(guī)模、需求量持續(xù)增長，增長勢頭明顯。2023年中國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模為386億元，同比增長15.22%，預計2024年市場規(guī)模達到441億元，2019-2023年均復合增速為24.05%。2016-2023年中國玻璃纖維市場規(guī)模年均復合增長率為6.11%。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2022年中國玻璃纖維表觀需求量為516.47萬噸，同比增長8.98%。圖16：2019-2024E中國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模及同比增速（億元，

）16323026533538644145%40%35%30%25%20%15%10%5%0%5004504003503002502001501005002019 2020 2021 2022 2023 2024E資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院市場規(guī)模（億元）同比增速181.78億元2016275.28億元2023玻璃纖維市場規(guī)模CAGR=6.11%玻璃纖維市場表觀需求量473.9億元2021516.47億元2022超材料產(chǎn)業(yè)鏈上游還包括超材料的研發(fā)和設計。在這個階段，研究機構、大學和科研院所扮演著重要的角色，致力于超材料的基礎研究和技術創(chuàng)新。中游主要包括超材料的生產(chǎn)與制造。在這個階段，企業(yè)通過研發(fā)和生產(chǎn)超材料產(chǎn)品，滿足市場需求。這些企業(yè)通常具備先進的制備和加工技術，能夠將超材料的設計和研發(fā)成果轉化為實際產(chǎn)品。下游主要包括超材料的應用和市場銷售。在這個階段，超材料被應用于光學、聲學、電磁等領域，滿足不同行業(yè)的需求。超材料的應用領域廣泛，包括通信、傳感、能源等多個領域。超材料研發(fā)與設計超材料生產(chǎn)與制造超材料應用與市場銷售圖17

超材料產(chǎn)業(yè)鏈上游中游下游資料來源：智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院光啟技術七大平臺賦能多個先進制造領域光啟技術七大平臺能力中的先進檢驗檢測能力賦能新能源汽車行業(yè)。2023年12月，中汽研與光啟技術達成戰(zhàn)略合作，雙方攜手打造全球首個汽車緊縮場聯(lián)合創(chuàng)新實驗室，將光啟技術在超材料領域積累的成熟方案直接應用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車行業(yè)。該實驗室在全球率先采用開創(chuàng)性的航空試驗方法，通過緊縮場實驗室來打造完整的汽車整車通信測試方案，精準測量通信發(fā)射和接收能力，一舉填補了全球汽車行業(yè)整車天線測試的ISO/IEC標準的空白，也徹底解決了困擾全球新能源汽車廠商的通訊難題，幫助我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)贏得發(fā)展先機和行業(yè)話語權。據(jù)光啟技術董事長劉若鵬透露，