超材料技术在航空武器装备的应用前景分析

能。如在雷达罩中引入超材料覆层，无需特别设计雷达罩外形，就可能使电磁波只能在雷达罩垂直面附近的小角度内传播，而其它方向的传播被限制，增强了天线的聚焦性和方向性，并可实现雷达隐身。2008年，法国科学家设计了一种开口环共振器结构的超材料雷达罩，其操作频率为2.17兆赫，使增益提高了3.4分贝，方向性提高了2.9分贝。2012年，美国国防部通过小企业技术转移项目资助纳米声学公司开展有关E-2预警机大型雷达罩材料研究，目的是利用超材料技术解决E-2原天线罩存在的结构肋导致天线图产生偏差的问题。德国航宇研究中心也研制出工作频带在36.9吉赫的超材料雷达罩，实现了高带通。

图、高透波超材料雷达罩

3．革新传统天线设计，制作小型超轻的宽频天线

现代军、民用航空器对探测、通信等能力提出了更高的需求，天线小型化和轻量化是发展的必然趋势。将超材料应用到天线的馈电网络、辐射单元和辐射背景等基本构成组件上，可大大降低天线能耗、提高天线增益、拓展天线工作带宽、增强信号的方向性。2012年，印度国家技术研究所采用左手和右手结合的传输线型超材料设计了椭圆形零阶谐振天线，目的是解决零阶谐振天线带宽较窄的问题。这种天线由两个椭圆形单元组成，工作频率范围为4.7～4.9兆赫。试验结果表明，在频率为4.88兆赫的情况下，天线的带宽、增益和辐射效率分别提高5%、2.1分贝和65.9%，呈现出较好的低剖面、宽带和低辐射特性。2014年4月，BAE系统公司采用一种新型功能性复合材料制成的超材料，开发出可以汇聚电磁波的超材料平面。用超材料平面替代传统抛物面天线的反射面，可使天线形状更流线化、尺寸小型化、设备减重；可对电磁参数进行调整，控制波的传播方向，压缩波束宽度，提高了天线的增益；其测试带宽从1～2吉赫到18～20吉赫，可实现多频操作，故可用一副天线替换多副天线，为军机设计和降低雷达截面积带来新选择。BAE系统公司由此成为世界首家成功应用超材料，在不损失任何带宽性能的情况下完成传统曲面天线功能的企业。

图、英国BAE公司利用超材料平面透镜原理开发出平面天线

4．改写传统光学衍射定律，创造军用光学超薄高分辨透镜

传统的显微镜、眼镜以及放大镜无法观测到尺寸小于光波长度的物体。超材料制成的"理想透镜"突破了传统透镜的衍射极限，能对电磁波近场进行成像，从而获得远小于波长的超高分辨能力，极大地提高透镜成像的分辨力。2012年，美国密歇根大学完成了一种新型超材料超级透镜研究，可用于观察尺寸小于100纳米的物体，且工作性能在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内均良好。2013年，美国国家标准与技术研究院展示了一种由银和二氧化钛纳米交替覆盖制作成型的超材料平板透镜。这种超材料透镜制作简单，实现了创纪录的最短波长，可实现约两个紫外光波长距离内的折射，可以弯曲并聚焦紫外线，呈现浮在自由空间中的物体的三维图像。

图、（a）超材料透镜能对所有电光源成像；（b）超材料透镜也能对衰减波放大成像；（c）超材料光学透镜的实验演示。上端：带有超材料透镜的原子力显微镜图像，线宽89纳米，下端：没有超材料透镜的原子力显微图像，线宽321.1纳米

三、超材料的主要技术难点分析

虽然超材料具有广阔的应用前景，但为实现大规模生产应用，尚有许多技术难点有待解决，主要包括以下三个方面。

超材料的小尺度加工精度有待提高。对在可见光和红外波段工作的超材料，其微结构单元尺度在微米、甚至纳米级，现有的加工设备和工艺还难以对其进行精确制造，更难以批量生产，近年微尺度增材制造（3D打印）技术快速发展，加工精度已可达50纳米，这一难题有望得到逐步解决。

超材料的工作频段需要拓宽。现有超材料研究一般局限于某一个波段范围，发展同时具备可见光、红外、雷达波等多个频段及声波隐身功能的蒙皮/壳体或多个发射频段的超材料天线，对于新型军机等武器装备意义重大。

超材料的尺寸需扩展到三维。受设计和生产的难度所限，现有超材料的研究一般局限在二维结构，只能让超材料在某一个固定的角度对波起作用，但未来武器装备必然要求超材料制成的"隐身斗篷"具备全向隐身功能。

四、结束语

从超材料的设计方法和应用前景分析中，可以得出以下三点启示。

· 超材料是材料开发设计模式的创新，打破了传统以化学成分设计调控材料性能的设计模式，转而从材料结构设计的角度出发，从而实现材料的超常性能。

· 超材料的设计对象可以是金属材料、非金属材料，也可以是复合材料，大大放宽了材料设计的自由度，其设计方法适用于所有材料