超材料：工业应用与技术发展综述

www.engineering.org.cn第1卷·第2期·2015年月工程179研究工程2015，1（2）：179先进材料与材料基因组超材料：重塑与反思刘若鹏1，2*，纪春林1，2，赵治亚1，2，周田1超材料是一种复合材料，其材料特性（声、电、磁、光等）是由它们的组成结构材料，特别是单胞决定的。超材料的发展继续重新定义材料科学的边界。在电磁研究领域及其他领域，这些材料具有出色的设计灵活性，具有定制的特性和在外部刺激下的可调谐性。在本文中，我们首先提供了一个文献综述的超材料的技术和它的演变为重点。然后，我们讨论工业化进程中的步骤，并分享我们自己的经验。关键词超材料，超表面，智能结构，元器件，产业化1 介绍超材料是一种人工结构元件的排列，旨在实现有利的和不寻常的反磁性（图1）。超材料相对于传统材料的优势在于其可设计性。超材料具有可定制的介电特性和可调的响应，为材料设计提供了极好的灵活性，并为理解材料带来了新的视角。图1.电磁超材料的图解这一新领域的启动标志着约翰·彭德里爵士的著名论文[1]，该论文发表于2000年，此前维斯拉格关于类似主题的富有远见的建议被忽视了30多年。在Pendry的论文发表后的10年内，由于超材料在隐形和光操纵方面的潜力，超材料成为一项突破性技术[2-6]。随着这项新技术的形成，越来越多的应用出现在电信，传感，航空航天，光学（太赫兹和红外）和医疗仪器。除了工业应用外，超材料在军事和国防领域也显示出巨大的应用潜力。美国国防部高级研究计划局（DARPA）、北大西洋公约组织（NATO）和世界各地的主要国防公司都在密切关注这一领域的发展[7本文回顾了超材料在学术研究（第2节）和工业（第3节），重点是最先进的技术在工业应用（第3节）。我们还分享了我们自己在工业化过程中的一些经验，以及我们对这一迷人领域未来发展的看法（第4节）。2 学术研究在早期的概念验证工作之后，超材料发展的第二个主要阶段开始于两篇论文，一篇是Leonhardt [13]，另一篇是Pendry等人。[14]发表在《科学》杂志上。变换光学（TO）的引入为超材料提供了一种设计方法，这是许多研究方向的基础，例如隐身和超透镜研究[4，15，16]。尽管TO方法很强大，但它在某些方面受到限制，其中之一是空间变换后产生的不切实际的性质。此外，当使用TO方法时，来自设计的连续属性与来自实现的离散属性之间的近似可能会影响结果。为了解决这些限制，开发了约束TO或CTO。在TO和CTO提供设计超材料的蓝图的情况下，1光启先进技术研究院，深圳518000;2超材料电磁调制技术国家重点实验室，深圳518000* 通讯作者。电子邮件：ruopeng. kuang-chi.org接收日期：2015年6月8日;接收日期：2015年6月20日;接受日期：2015年6月30日作者（S）2015出版社：Engineering Sciences Press这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）180工程第1卷·第2期·2015年6www.engineering.org.cn先进材料与材料基因组研究综述方法提供了构建块。等效电路方法可以快速选择拓扑结构并优化微结构[17，18]，这两个因素有时会将一种设计与另一种设计区分开来。工程电磁学界迅速采用并开发了低剖面天线系统[19-21]、波束控制系统[22]、频率选择表面[17]、结构化表面[23]、超材料天线[24]、雷达吸收材料等。电磁超材料研究的另一个分支是由传输线方法（TLM）[25]指导的;使用这种方法，漏波天线能够从背射方向扫描到端射方向[26，27]。正如Ziolkowski在参考文献[28]中指出的那样，对电磁超材料的兴奋在光学界具有传染性，导致了光学超材料的发展[29，30]。世界各地的研究人员提出了许多关于超透镜和超级透镜的想法[16，31，32]。先进的电磁建模软件包和强大的计算系统现在可以在制造之前进行精确的模拟。Dolling等人于2007年首次报道了在可见光谱中的实现[33]。随着对超材料的理论和物理基础研究的不断努力，当功能物质与超材料杂交时，功能得到了实质性的增强。微机电系统（MEMS）的使用逐渐被应用于电磁[34]和太赫兹超材料[35，36]的重新配置。微流体用于重新配置微波元器件[37]。2006年，在半导体衬底上制造的金超材料阵列允许用电信号实时控制辐射[38]。由于在制造方面可以实现20电磁场中的超材料的成就启发了其他研究人员，将概念扩展到声学，水波，等离子体等，这些都由不同的机制和方程控制[40，41]。在参与超材料研究的研究群体中，有一个群体特别值得一提 。 位 于 欧 洲 的 人 工 电 磁 材 料 和 超 材 料 虚 拟 研 究 所（Metamorphose VI）积极在美国，由国家科学基金会（NSF）支持的工业/大学合作研究中心成立于2002年。该中心由城市大学领导并与北卡罗来纳大学等学术机构、雷神公司等工业公司以及超材料界的技术专家合作。该中心目前的研究项目包括可调谐超材料的快速原型和印刷以及建模和设计算法的开发，有源超材料表面和超材料，共形超材料天线和光学复合材料，所有这些都是迷人的和重要的方面。外地3 应用与产业化3.1 早期应用今天，市场上存在对超材料的真正需求，用于声学到太赫兹和光 子学 。 超 材料 市 场 可分 为 五 个领 域 ： 传感 、 卫 星通 信（Satcom）和电信、航空航天和国防、光学（太赫兹和红外）和医疗仪器。根据MarketsandMarkets在2014年的一份报告（SE2430），超材料市场预计在未来10年内将以41%的复合年增长率（CAGR）增长。在传感领域，著名的汽车制造商，如丰田和宝马，在微波和毫米波超材料的开发方面投入了大量精力[42，43]。根据丰田中央研发实验室的说法，超材料有望有效地为汽车应用做出贡献，如雷达扫描系统，移动通信天线，电动机的新型磁性材料以及用于电磁兼容性（EMC）的高性能吸收和屏蔽材料[42]。对于传统的巡航控制和预碰撞安全系统，覆盖范围约为20°的视场（FOV）在毫米波段（76-77 GHz）的150 m是足够的。然而，新的自适应巡航控制和防撞辅助系统需要在60米范围内达到60°的FOV。为了满足这些市场需求，丰田公司开发了一种新型的频率无关可控复合右/左手（CRLH）漏波天线，具有宽波束转向，高增益和简单的实现的优点。在丰田，LED头灯和使用红外摄像头的夜视系统等光学设备也有望成为目标应用（图2）。高反射和吸收从油漆塑料筋膜是宝马必须面对的问题时，集成毫米波传感器从77-81 GHz的工作;这些都是常见的问题，由于准光学传播特性在这个频率范围。为此，宝马公司利用阻抗匹配技术与超材料，以顺利过渡，从保险杠环境，图2.用于汽车应用的工业超材料先进材料与材料基因组研究综述www.engineering.org.cn第1卷·第2期·2015年月工程181研究涉及的问题有：①射频（RF）Meta-红外特征控制;成像和成像材料;和声超材料。这六个领域更多具有高介电性能的元件到自由空间[43]。根据他们的测量，超材料在高达3.8 GHz的带宽下实现了低于-10 dB的反射在卫星通信行业，一家名为Kymeta的美国公司利用全息方法以电子方式控制光束使用电子激活超材料发射到目标卫星[44]。光束的方向可以通过精确地选择特定的一组单元来调整[45]。利用Meta材料方法，可以以低得多的成本获得具有与相控阵列相当的性能的天线，因为可以消除整个发射/接收（T/R）模块。一种扁平、薄、轻且可负担得起的可重构全息超材料天线可以安装在飞机、船只和常规车辆上。据Kymeta网站报道，该公司计划今年向受控客户和商业合作伙伴发布开发套件，尽管交付日期此前定在2014年底。从实验室原型到工业产品的过渡似乎需要额外的时间。关 于 红 外 光 谱 ， 超 材 料 正 在 研 究 控 制 热 发 射 的 方 向 。Plasmonics Inc.，一家美国公司，与美国桑迪亚国家实验室合作，利用超材料的非朗伯发射轮廓来设计和制造定向发射表面。这种超颖表面的一个潜在应用是卫星上的热管理。更具体地说，这个想法是为了实现卫星的高热发射率，同时，高排斥来自太阳的外部热负荷。换句话说，这个概念利用了超材料独特的非互易热特性。在能源部门，太阳能的广泛应用受到其每千瓦时产出成本高的阻碍，该成本约为燃煤发电成本的五倍。薄膜技术与超材料纳米复合材料相结合，通过从宽角度收集光并吸收光，在感兴趣的光谱上。该技术允许立即使用现有的太阳能电池板，具有退化效率。提高太阳能效率意味着客户每千瓦时的成本降低 ， 太 阳 能 发 电 场 的 盈 利 能 力 增 加 。 商 业 产 品 由 名 为Metamaterial Technologies Inc.的加拿大公司生产。与阿尔伯塔大学的Sandipan Pramanik教授等人合作[46，47]。对于航空航天应用，利用超材料技术的纳米复合材料也用于选择性地拒绝和控制来自广角的光[48，49]。一家加州公司最近宣布与空中客车公司建立战略合作伙伴关系，将这一技术创新应用于商业航空市场。一种薄膜超颖表面被应用到驾驶舱挡风玻璃上，以选择性地阻挡某些光谱，包括高功率激光发射的波长。他们的产品线预计将于2016年初推出，届时将获得美国联邦航空管理局等监管机构颁发的某些证书。3.2 驾驶应用超材料的奇异特性及其在隐身方面的潜在应用很快引起了DARPA等机构的注意。早在1999年，DARPA就开始收集有关超材料的信息[28]。2001年，目标DARPA多大学研究计划（MURI）的征集提案（CFP）是“建模、合成、表征和开发新的 合 成 超 材 料 ”[28] 。 在 DARPA 的 要 求 下 ， 波 音 PhantomWorks（现在的波音研究与开发）于2003年建造了他们的第一个3D Meta材料，波音立方体。DARPA已经将超材料定义为一个“重点领域”，并自2000年以来为超材料项目提供了持续的资金支持。根据最新消息，DARPA在这方面的资金在2015财年增加了75%。除了DARPA，美国国防部负责研究与工程的助理部长（ASD R E）也将超材料命名为六大“颠覆性基础研究领域”之一自2006年以来，美国海军已经发布了60多项与军用超材料技 术 相关 的 小 企 业 创新 研 究 （SBIR ） 和 小企 业 技 术 转 让（STTR）资助，其中大部分处于第二阶段和第三阶段。在欧洲，北约从2011年1月开始进行了一项为期三年的国防和安全应用超材料研究项目，以了解超材料的发展趋势以及它们将如何影响北约的六大主题材料天线;②射频特征减少;③热和传感应用;有源，开关，非线性元，涵盖了超材料在军事应用中的主要研究方向。在公众开放获取方面，超材料技术已经应用于各种军事装置和装备中在不同的平台上。电磁元结构已被纳入E2鹰眼旋转圆顶，以减少不必要的像差所造成的存在，其结构的肋骨。这些元结构的特征包括但不限于重量轻、电磁兼容性、改型能力和满足旋转圆顶环境的物理需求。遇到与电磁信号传播的物理结构干扰的其他天线系统的性能也可以使用类似的方法来改进。具有定制电磁特性的大规模超材料也已用于船上应用。这些材料的新颖特性为解决复杂的电磁问题提供了更多的选择。随着新的超材料制造和组装工艺的发展，包括低剖面天线、奇异波导和大面积超材料在内的各种技术都已在美国海军舰艇上首次亮相，这些超材料具有降低通信干扰、增强雷达吸收和改善阻抗匹配的功能。3.3 工业化正如亚利桑那大学的Ziolkowski在2014年的新杂志《应用超材料》上所说，一旦超材料先进材料与材料基因组研究综述182工程第1卷·第2期·2015年6www.engineering.org.cn研究人员了解了基础知识，随后几年看到了潜在和实际应用的过渡[28]。商业化的软件引入了用于超材料模拟的特定模块。早在2006年，Feko就为负折射率材料的分析提供了应用说明。一年后，Ansoft编写了一份名为左手超材料设计指南的白皮书。最近，计算机仿真技术（CST）专注于工业应用中基于超材料的设备的建模和仿真[51]。随着并行计算和集群中软件和硬件的进步，基于和/或受超材料启发的电气大超材料的装置和设备的仿真是可行的并且是成本有效的。对于超材料技术的产业化，共形结构的大规模生产是一个重大挑战。对于光学超材料，纳米技术和微技术的研究人员利用沉积、电子束光刻、原子溅射和自组装方法来制造小于波长的结构。将半导体及其技术纳入超材料可以实现奇异的可调谐性。直接书写，激光雕刻和标准平版印刷技术，微波超材料的大规模生产SI2 Technologies，Inc在马萨诸塞州，美国开发了直接喷墨系统，该系统可以在低温下在柔性或弯曲表面上印刷电子电路。这些电路的保形特性和卷对卷体积为航空电子设备集成提供了显著的优势。超材料的研发是光启先进技术研究院（简称光启）的核心。光启的目的是建立基础研究和工业实施之间的联系。基于其在超材料市场的多年实践，光启已经创建了其工业化架构，如图3所示。在这种架构下，从市场和客户那里引入真正的需求，并根据特定的标准进行筛选。然后，超材料产品使用我们的关键技术按订单设计。利用这些程序，我们已经扩展了我们的技术，用于近空间通信，卫星通信，机载/车载RF系统，地铁系统的无线覆盖等。光启目前已申请专利二千九百三十四项，获授权专利一千二百多项。图3.光启超材料研究产业化架构。MTM：超材料。HPC：高功率计算。RTM：树脂传递模塑。AOI：自动光学检测。NDT：无损检测。据我们所知，我们在2011年向世界推出了第一个基于超材料的卫星通信天线。由于其梯度折射率设计（GRIN），该天线的反射器具有仅2 mm厚的平面形状。从那时起，这些产品已安装在中国超过22个城市的农村地区的居民。图4示出了根据本发明的实施例的便携式超材料卫星通信天线的图示。行李箱。此外，我们最近在新西兰发射了“旅行者”，这是一个近空间平台，集成了用于通信、监测和遥感的超材料技术。这是中国首次在国外发射近空间飞行器。图4.光启卫星通讯用的平面反射器天线，装在手提箱里。先进材料与材料基因组研究综述www.engineering.org.cn第1卷·第2期·2015年月工程1834 发展和未来正如Kadic等人题为《超越电磁学的超材料》的综合评论所指出的，超材料概念也适用于热力学和经典力学（包括弹性静力学、弹性动力学、声学和流体动力学）[41]。随着光学超材料和电磁超材料的发展和繁荣，其他相关领域也将迅速发展。毫无疑问，基于可控超材料的智能结构和智能皮肤将是超材料发展的下一个阶段的趋势。有了这些材料和技术，子弹头列车和休闲车（RV）将能够通过感知最强的信号在整个旅程中接收稳定的媒体流。在未来，超材料的设计将比以往任何时候都更加复杂。结构特性和功能特性将越来越紧密地结合在一起。尽管微结构设计是灵活的，但它必须面对物理边界，如机械性能、热性能、环境性能和制造公差。在概念验证、产品和系统层面上的跨学科、多物理场和多模型设计将是材料科学中非常有趣的问题。5 结论本文综述了超材料技术在学术研究和工业上的发展。能力-控制和操纵电磁波、光波和声波的能力使超材料区别于传统材料。凭借其可调谐性，超材料将能够调整透射，反射和吸收，控制光束方向，控制热传导等。它们甚至能够在没有人类干预的情况下感知和做出反应。超材料重塑了材料科学。是时候重新思考他们的能力了。确认本研究得到了广东省创新研究团队项目（2009010005）的资助.遵守道德操守准则Ruopeng Liu、Chunlin Ji、Zhiya Zhao和Tian Zhou声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用1.J. 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