21 世紀是軍事的世紀。 在未來戰爭中， 人類將在空間展開一場前所未有的、以開發利用空間豐富資源和爭奪制天、制地、制海權為主要內容的大競爭， 軍用武器裝備將會得到迅速發展。
新材料之王碳纖維是軍事強國的必爭之材
現代資訊化戰爭既是高技術裝備之戰， 也是高性能材料之戰。 碳纖維性能優異， 外柔內剛， 兼具電學、熱學和力學等綜合特性。 它強度高、韌性好， 可大幅提升現代武器裝備系統作戰性能。 有著低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐嚴寒、耐摩擦、耐腐蝕、導電、抗衝擊、電磁遮罩效果好等一系列優越的性能，
20 世紀 50 年代初， 美蘇冷戰， 為解決武器隔熱問題， 美國開始研製碳纖維材料並得到應用。 現在的軍事領域， 碳纖維主要用於製造戰鬥機、無人機、隱身材料、導彈隔熱部件、裝甲外殼、電磁遮罩部件等。
國內碳纖維行業發展較晚， 不過在國家政策的支持和經濟發展的帶動下， 軍工領域碳纖維材料的用量越來越多了。 十三五計畫中， 更把碳纖維列為重點發展對象。
隨著時代發展， 軍事材料正在向隱身、低能耗、高機動性方向發展， 對於碳纖維材料的要求也越來越高。 值得慶倖的是， 碳纖維的性能有巨大的提升空間和潛力， 作為軍事強國的必爭之材， 需求量還將進一步上漲。
“黑色黃金”碳纖維
起源可追溯至 1860年， 由英國人瑟夫 · 斯旺在製作電燈燈絲中發明並獲得專利。 它是一種纖維狀碳材料， 呈黑色， 質堅硬， 是一種強度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫， 又能像銅那樣導電， 具有電學、熱學和力學等綜合優異性能的新型材料， 因其製造技術難度大、實用價值高， 被業界譽為“黑色黃金”。
碳纖維“外柔內剛”， 不僅具有碳材料的本質特性， 又兼備紡織纖維的柔軟和可加工性， 是新一代高性能增強纖維。 比頭髮絲還細幾倍的碳纖維與樹脂、碳、陶瓷、金屬等基體經過特殊複合成型工藝製造， 即可獲得性能優異的碳纖維複合材料， 能夠廣泛應用於航空、航太、能源、交通、軍用裝備等眾多領域，
難上難 製造工藝複雜精細
20 世紀 50 年代， 為了解決導彈噴管和彈頭耐高溫、耐腐蝕等關鍵技術難題， 美國率先研製出粘膠基碳纖維。 1959 年， 日本近藤昭男發明了聚丙烯腈基碳纖維。 由於碳纖維在軍事領域凸顯出提升武器裝備性能的優異表現， 引起了軍事強國的高度重視。 隨後一些國家重點投入， 不斷研製出更高性能、更多品種的碳纖維。 日本先後突破高強、高模性兼備等一系列關鍵技術難題， 使所研製的碳纖維複合材料獨具優異的抗疲勞性能和環境適應能力， 其整體水準一路領先。
碳纖維看似簡單， 但其製造工藝十分複雜， 是一項集多學科、精細化、高尖端技術於一體的系統工程，
隨著當今碳纖維及複合材料廣泛應用， 規模化生產成為其產業化發展的重大瓶頸。 每個量級的生產雖原理相同， 但對各種工藝參數精確控制難度卻有極大不同， 十噸級、百噸級的生產線， 不能簡單複製到千噸級， 例如聚合反應產生大量的熱， 使得溫度均勻性恒定性極難控制。 正因如此， 目前只有極少數國家能夠穩定生產出高性能碳纖維， 且核心技術長期主要掌控在日本和美國企業巨頭手中。 其中， 日本的三家公司碳纖維生產能力就占世界四分之三， 成為業界“巨無霸”。
強中強 國防裝備脫胎換骨
據外媒報導，傲視群雄的 F-35 戰鬥機首飛時間一推再推，其中一個很重要原因，就是超重。為破解這一難題，洛克希德 ? 馬丁公司採取了很多辦法，最終採用多達 35% 的碳纖維複合材料才大幅降低了機體重量。所以從某種意義上說，是碳纖維複合材料成就了 F-35戰機。
如今，碳纖維複合材料不僅成為實現高隱身性能不可或缺的基礎性材料，更成為衡量武器裝備系統先進性能的重要標誌。比如，由於 X-47B、全球鷹、全球觀察者、西風等飛行器應用碳纖維複合材料比例更高，使得其有效載荷、續航能力和生存能力均實現了新突破。
現役 F-22 戰鬥機一個最大特點，就是隱身性能好，而這與其大量使用碳纖維複合材料休戚相關。此外，F-117A戰鬥機、B-2 隱身轟炸機等也都採用了碳纖維吸波材料，包括瑞典“維斯堡”級巡邏艦艦體用的均為全複合材料，因而擁有了高隱身、高機動、長壽命等先進作戰性能。
航太領域發展更是錙銖必較。如固體火箭發動機品質每減少 1 千克，射程就可增加 16 公里。所以，碳纖維複合材料被大量應用于美國“愛國者”導彈、“三叉戟”II、德國 HVM 超聲速導彈、法國“阿裡安”-2 火箭、日本 M-5 火箭等發動機殼體，未來碳纖維更是發展小型化、高機動性、高精度、高突防能力先進戰略性武器裝備的重要基礎。
新型高性能碳纖維複合材料，具有更好的穩定性和可靠性，目前在高超聲速飛行器、國際空間站、先進衛星等裝備系統中被大量應用。美國防部在“面向 21 世紀國防需求的材料研究”報告中強調，“到 2020 年，只有複合材料才有潛力使裝備獲得 20-25% 的性能提升”。
優中優 事關國家安全利益
外軍認為，現代資訊化戰爭既是高技術裝備之戰，更是高性能材料之戰。
現代武器裝備發展，隱身化、低能耗、高機動性、大載荷等趨勢凸顯，對碳纖維及複合材料性能要求越來越高。因此研製更高強度、更高模量的碳纖維和與之相匹配的高性能作戰系統，已成為軍事強國比拼尖端實力的重頭戲。目前，發達國家正在碳纖維、先進樹脂和製造技術三個方向上重點突進。
目前，碳纖維拉伸強度與模量在理論上和實驗室中，存在著巨大的提升潛力和空間，因而激戰正酣。
在樹脂研究領域，重點發展高韌熱固性樹脂，能夠提高武器裝備部件的長效溫度，並改善韌性、工藝性和耐濕熱性能。而開發熱塑性樹脂，可顯著提高武器裝備抗衝擊韌性和耐疲勞損傷性能。
現代先進的自動化製造技術，可實現構件三維模型到製造一體化集成，適於製造大尺寸和複雜結構件，可有效提高裝備品質可靠性和降低成本，從而促進國防軍工更好發展。
近年來，為適應我國國防建設發展需要，碳纖維及其複合材料已被列為國家重點支持的專案。專家認為，著眼未來建設完整自主的高水準產業鏈，努力把事關國家安全利益的核心技術真正掌握在自己手中，乃是實現興國強軍中國夢的必由之路。
對未來軍工領域帶來革命性影響的超材料
超材料是通過在材料關鍵物理尺寸上的結構有序設計，突破某些表觀自然規律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術。超材料是一個具有重要軍事應用價值和廣泛應用前景的前沿技術領域，將對未來武器裝備發展和作戰產生革命性影響。
新型材料顛覆傳統理論
儘管超材料的概念出現在 2000 年前後，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯科學家維克托 ? 韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數和負的磁導率，電場向量、磁場向量以及波矢之間的關係將不再遵循作為經典電磁學基礎的“右手定則”，而呈現出與之相反的“負折射率關係”。這種物質將顛覆光學世界，使光波看起來如同倒流一般，並且在許多方面表現出有違常理的行為，例如光的負折射、“逆行光波”、反常多普勒效應等。這種設想在當時一經提出，就被科學界認為是“天方夜譚”。
隨著傳統材料設計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發展超越常規材料性能極限的材料設計新思路，成為新材料研發的重要任務。2000 年，首個關於負折射率材料的報告問世；2001 年，美國加州大學聖達戈分校的科研人員首次製備出在微波波段同時具有負介電常數和負磁導率的超材料；2002 年，美國麻省理工學院研究人員從理論上證實了負折射率材料存在的合理性；2003 年，由於超材料的研究在世界範圍內取得了多項研究成果，被美國《科學》雜誌評為當年全球十項重大科技進展之一。此後，超材料研究在世界範圍內取得了多項成果，維克托 ? 韋謝拉戈的眾多預測都得到了實驗驗證。
現有的超材料主要包括：負折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規材料相比，超材料主要有 3 個特徵：
一是具有新奇人工結構；
二是具有超常規的物理性質；
三是採用逆向設計思路，能“按需定制”。
負折射率材料具有介電常數與磁導率同時為負值的電磁特性，電磁波在該介質中傳播時，電場強度、磁場強度與傳播向量三者遵循負折射率螺旋定則，因此存在負折射效應、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現象。負折射率材料的實現使人類具備了自由調控電磁波的能力，這對未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測、強磁場、太陽能和微波能利用等技術將產生深遠的影響。
光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造週期性電介質結構，是一種介電常數週期性分佈的電介質複合結構，可以阻止某一種頻率的光波在其中的傳播。由於光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認為是未來的半導體，對光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外 /雷達隱身等領域將產生重大影響。
部分超材料示例
“電磁黑洞”是一種採用電磁超材料製造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導電磁波螺旋式行進，直至被黑洞吸收，使基於引力場的黑洞很難在實驗室裡模擬和驗證的難題迎刃而解。這一現象的發現，不僅將為太陽能利用技術增加新的途徑，產生全新的光熱太陽能電池，還能應用於紅外熱成像技術，大幅度提高紅外信號探測能力。
頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏週期性陣列結構，由週期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上週期性排列的孔徑單元構成。其可對不同頻段的入射電磁波進行有選擇性的發射或傳輸，已被廣泛應用于微波天線和雷達罩的設計中，也可用於反射面天線的負反射器，以實現頻率複用，提高天線的利用率。
巨大價值引發全球關注
超材料研究的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現出的革命性應用前景，使其得到了美國、歐洲、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神等機構的強力關注，現在已是國際上最熱門、最受矚目的前沿高技術之一。2010 年，美國《科學》雜誌將超材料列為 21 世紀前 10 年自然科學領域的 10 項重大突破之一。當前，國外的研究領域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實驗驗證、超材料設計、超材料加工製造和超材料的應用。
美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一，美國國防部專門啟動了關於超材料的研究計畫；美國空軍科學研究辦公室把超材料列入“十大關鍵領域”；美國最大的6 家半導體公司英特爾、AMD 和 IBM 等也成立了聯合基金資助這方面的研究。歐盟組織了 50 多位相關領域頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，並給予高額經費支援。日本在經濟低迷之際出臺了一項研究計畫，至少支持兩個關於超材料技術的研究專案，每個專案約為 30億日元（約合 1.5 億人民幣），同時將超材料列為下一代隱形戰鬥機的核心關鍵技術。
在多個專案的支持下，超材料技術取得了一系列新進展。例如，美國能源部勞倫斯 · 伯克利國家實驗室與加利福尼亞大學合作完成了負折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國加利福尼亞大學完成了利用負折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國普渡大學和諾福克州立大學合作完成了負折射率材料對光線吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯 · 伯克利國家實驗室的研究團隊製造出了全球首個非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個方向都會得到增強；2014年，法國國家科學研究中心和法國波爾高等化學物理學院的研究人員通過結合物理化學組成和微流體技術，研發出了第一個三維超材料。
使用超材料的隱身衣
在超材料應用方面，有關國家和機構近年來啟動了多項研究計畫。如DARPA 實施的負折射率材料研究計畫；美國杜克大學開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級和可重構的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業獲得小企業創新計畫和企業技術轉移資助計畫資助，對超材料技術進行了大量研究和產品轉化。目前，超材料領域已初步形成的產品包括超材料智慧蒙皮、雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、通信天線、無人機載雷達等。
神奇功能改變未來作戰
超材料因其獨特的物理性能而一直備受人們的青睞，在軍事領域具有重大的應用前景。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湧現，展現出巨大應用潛力和發展空間。
隱身是近年來出鏡率最高的超材料應用，也是迄今為止超材料技術研究最為集中的方向，如美國的 F-35 戰鬥機與 DDG1000 大型驅逐艦均應用了超材料隱身技術。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，使軍事隱身技術發生革命性變革。超材料實現隱身與傳統隱身技術的區別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術上實現真正意義上的隱身。
在電磁隱身方面，2006 年，美國杜克大學與英國帝國學院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設計方案，這種設計方案由 10 個同心圓筒組成，採用矩形開口環諧振器單元結構，實驗結果證實負折射率材料用於物體的隱身是可行的。2012 年，美國東北大學採用摻雜鈧的 M 型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設計和試驗了可在 33 ～ 44 吉赫茲電磁波段實現可調的負折射率材料。美國雷神公司開發了“透波率可控人工複合蒙皮材料”，該材料採用嵌入了可變電容的金屬微結構頻率選擇表面，通過控制載入在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數，從而實現材料透波特性的人工控制，可應用于各種先進雷達系統和下一代隱身戰機的智慧隱身蒙皮。
在光學隱身方面，2012 年，加拿大超隱形生物公司發明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰機、艦艇和坦克上應用。2014 年，美國佛羅里達大學的研究團隊研製出一種可實現可見光隱身的超材料，實現這一技術突破的關鍵是利用納米轉移印刷技術製造出一種多層三維超材料。納米轉移印刷技術可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現隱身。
在聲隱身方面，2011 年，美國杜克大學卡默爾教授的團隊開發出一種二維聲學斗篷，能使 10 釐米大小的木塊不被聲波探測到。2014 年 3 月，杜克大學製造出世界上首個三維聲學斗篷，它是一種利用聲隱身超材料製成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面傳播，不反射也不透射，實現對探測聲波的隱身。三維聲學斗篷由一些具有重複排列小孔的塑膠板組成，能在 3 千赫茲的聲波下表現出完美的隱身效果，驗證了聲學斗篷應用於主動聲呐對抗的可行性。此外，美海軍自主開發一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術，製造一種六角形晶胞結構的鋁材料，並將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內，實現對聲波引導，達到隱身目的。聲隱身超材料技術的發展將對潛艇等水下裝備的隱身產生變革性影響，有可能改變未來水下戰場的“遊戲”規則。
除了傳統意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員利用機械超材料製成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術，可以欺騙人體和探測設備的感測器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物製成，具有特殊設計的次微米精度的晶體結構。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機械性能。利用這種超材料製造的隱形斗篷可以遮罩儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術雖然還在純粹的基礎物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應用開闢一條新路。
天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國外眾多實驗表明，將超材料應用到導彈、雷達、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的頻寬，有效增強天線的聚焦性和方向性。
天線方面，雷神公司研發了超材料雙頻段小型化 GPS 天線，通過精確的人工微結構設計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的頻寬得到大幅拓展，其可應用於對天線尺寸要求苛刻的飛機平臺與個人可擕式戰術導航終端。2011 年 2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學聯合開發了一種新型電磁超材料，可用於在喇叭形衛星天線上，使產品體積更小，製造成本更低，並能夠顯著提高航天器天線的性能。2014 年，英國 BAE系統公司開發出一種可用于無人機通信的超材料平面天線，可使電磁波在透過平面天線後進行聚焦，在實現對電磁波聚焦的同時保留了平面天線的寬頻性能，克服了傳統抛物面天線變為平面天線所帶來的頻寬損失、低增益等問題，同時可實現一個天線替換多個天線，減少天線的數量。這一技術突破可能使飛機、艦艇、衛星等天線的設計產生劃時代的變革。
雷達天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發出雷達罩用超材料智慧結構，並應用於美軍新一代的E2“鷹眼”預警機，大幅提高了其雷達探測能力。通過採用超材料的特殊設計，該專案提供了解決傳統雷達罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結構品質輕，方便後期的改裝和維護，極大提高了 E2“鷹眼”預警機的整體性能。
導彈天線罩方面，美國雷神公司研製了基於超材料的導彈天線罩，可以使穿過導彈天線罩的電磁波不產生有效折射，有效提高導彈打擊精度。
用於製作光學透鏡的超材料，可以製作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應用於微量污染物質探測、醫學診斷成像、單分子探測等領域；高定向性透鏡主要應用於透鏡天線、小型化相控陣天線、超解析度成像系統等領域；高分辨能力的平板型光學透鏡主要應用於積體電路的光學引導原件等領域。2012 年，美國密西根大學完成一種新型超材料透鏡研究，可用於觀察尺寸小於 100 納米的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜範圍內工作性能良好。
結 語
超材料的重要意義不僅體現在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法—人們可以在不違背物理學基本規律的前提下，獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”。“一代材料，一代裝備”，創新材料的誕生及發展必將會催生出新的武器裝備與作戰樣式。誕生不久就受到全世界擁躉的“超級材料”能否成為下一個新材料傳奇？不禁令人無限地遐想和期待。
成為業界“巨無霸”。強中強 國防裝備脫胎換骨
據外媒報導，傲視群雄的 F-35 戰鬥機首飛時間一推再推，其中一個很重要原因，就是超重。為破解這一難題，洛克希德 ? 馬丁公司採取了很多辦法，最終採用多達 35% 的碳纖維複合材料才大幅降低了機體重量。所以從某種意義上說，是碳纖維複合材料成就了 F-35戰機。
如今，碳纖維複合材料不僅成為實現高隱身性能不可或缺的基礎性材料，更成為衡量武器裝備系統先進性能的重要標誌。比如，由於 X-47B、全球鷹、全球觀察者、西風等飛行器應用碳纖維複合材料比例更高，使得其有效載荷、續航能力和生存能力均實現了新突破。
現役 F-22 戰鬥機一個最大特點，就是隱身性能好，而這與其大量使用碳纖維複合材料休戚相關。此外，F-117A戰鬥機、B-2 隱身轟炸機等也都採用了碳纖維吸波材料，包括瑞典“維斯堡”級巡邏艦艦體用的均為全複合材料，因而擁有了高隱身、高機動、長壽命等先進作戰性能。
航太領域發展更是錙銖必較。如固體火箭發動機品質每減少 1 千克，射程就可增加 16 公里。所以，碳纖維複合材料被大量應用于美國“愛國者”導彈、“三叉戟”II、德國 HVM 超聲速導彈、法國“阿裡安”-2 火箭、日本 M-5 火箭等發動機殼體，未來碳纖維更是發展小型化、高機動性、高精度、高突防能力先進戰略性武器裝備的重要基礎。
新型高性能碳纖維複合材料，具有更好的穩定性和可靠性，目前在高超聲速飛行器、國際空間站、先進衛星等裝備系統中被大量應用。美國防部在“面向 21 世紀國防需求的材料研究”報告中強調，“到 2020 年，只有複合材料才有潛力使裝備獲得 20-25% 的性能提升”。
優中優 事關國家安全利益
外軍認為，現代資訊化戰爭既是高技術裝備之戰，更是高性能材料之戰。
現代武器裝備發展，隱身化、低能耗、高機動性、大載荷等趨勢凸顯，對碳纖維及複合材料性能要求越來越高。因此研製更高強度、更高模量的碳纖維和與之相匹配的高性能作戰系統，已成為軍事強國比拼尖端實力的重頭戲。目前，發達國家正在碳纖維、先進樹脂和製造技術三個方向上重點突進。
目前，碳纖維拉伸強度與模量在理論上和實驗室中，存在著巨大的提升潛力和空間，因而激戰正酣。
在樹脂研究領域，重點發展高韌熱固性樹脂，能夠提高武器裝備部件的長效溫度，並改善韌性、工藝性和耐濕熱性能。而開發熱塑性樹脂，可顯著提高武器裝備抗衝擊韌性和耐疲勞損傷性能。
現代先進的自動化製造技術，可實現構件三維模型到製造一體化集成，適於製造大尺寸和複雜結構件，可有效提高裝備品質可靠性和降低成本，從而促進國防軍工更好發展。
近年來，為適應我國國防建設發展需要，碳纖維及其複合材料已被列為國家重點支持的專案。專家認為，著眼未來建設完整自主的高水準產業鏈，努力把事關國家安全利益的核心技術真正掌握在自己手中，乃是實現興國強軍中國夢的必由之路。
對未來軍工領域帶來革命性影響的超材料
超材料是通過在材料關鍵物理尺寸上的結構有序設計，突破某些表觀自然規律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術。超材料是一個具有重要軍事應用價值和廣泛應用前景的前沿技術領域，將對未來武器裝備發展和作戰產生革命性影響。
新型材料顛覆傳統理論
儘管超材料的概念出現在 2000 年前後，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯科學家維克托 ? 韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數和負的磁導率，電場向量、磁場向量以及波矢之間的關係將不再遵循作為經典電磁學基礎的“右手定則”，而呈現出與之相反的“負折射率關係”。這種物質將顛覆光學世界，使光波看起來如同倒流一般，並且在許多方面表現出有違常理的行為，例如光的負折射、“逆行光波”、反常多普勒效應等。這種設想在當時一經提出，就被科學界認為是“天方夜譚”。
隨著傳統材料設計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發展超越常規材料性能極限的材料設計新思路，成為新材料研發的重要任務。2000 年，首個關於負折射率材料的報告問世；2001 年，美國加州大學聖達戈分校的科研人員首次製備出在微波波段同時具有負介電常數和負磁導率的超材料；2002 年，美國麻省理工學院研究人員從理論上證實了負折射率材料存在的合理性；2003 年，由於超材料的研究在世界範圍內取得了多項研究成果，被美國《科學》雜誌評為當年全球十項重大科技進展之一。此後，超材料研究在世界範圍內取得了多項成果，維克托 ? 韋謝拉戈的眾多預測都得到了實驗驗證。
現有的超材料主要包括：負折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規材料相比，超材料主要有 3 個特徵：
一是具有新奇人工結構；
二是具有超常規的物理性質；
三是採用逆向設計思路，能“按需定制”。
負折射率材料具有介電常數與磁導率同時為負值的電磁特性，電磁波在該介質中傳播時，電場強度、磁場強度與傳播向量三者遵循負折射率螺旋定則，因此存在負折射效應、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現象。負折射率材料的實現使人類具備了自由調控電磁波的能力，這對未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測、強磁場、太陽能和微波能利用等技術將產生深遠的影響。
光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造週期性電介質結構，是一種介電常數週期性分佈的電介質複合結構，可以阻止某一種頻率的光波在其中的傳播。由於光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認為是未來的半導體，對光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外 /雷達隱身等領域將產生重大影響。
部分超材料示例
“電磁黑洞”是一種採用電磁超材料製造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導電磁波螺旋式行進，直至被黑洞吸收，使基於引力場的黑洞很難在實驗室裡模擬和驗證的難題迎刃而解。這一現象的發現，不僅將為太陽能利用技術增加新的途徑，產生全新的光熱太陽能電池，還能應用於紅外熱成像技術，大幅度提高紅外信號探測能力。
頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏週期性陣列結構，由週期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上週期性排列的孔徑單元構成。其可對不同頻段的入射電磁波進行有選擇性的發射或傳輸，已被廣泛應用于微波天線和雷達罩的設計中，也可用於反射面天線的負反射器，以實現頻率複用，提高天線的利用率。
巨大價值引發全球關注
超材料研究的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現出的革命性應用前景，使其得到了美國、歐洲、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神等機構的強力關注，現在已是國際上最熱門、最受矚目的前沿高技術之一。2010 年，美國《科學》雜誌將超材料列為 21 世紀前 10 年自然科學領域的 10 項重大突破之一。當前，國外的研究領域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實驗驗證、超材料設計、超材料加工製造和超材料的應用。
美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一，美國國防部專門啟動了關於超材料的研究計畫；美國空軍科學研究辦公室把超材料列入“十大關鍵領域”；美國最大的6 家半導體公司英特爾、AMD 和 IBM 等也成立了聯合基金資助這方面的研究。歐盟組織了 50 多位相關領域頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，並給予高額經費支援。日本在經濟低迷之際出臺了一項研究計畫，至少支持兩個關於超材料技術的研究專案，每個專案約為 30億日元（約合 1.5 億人民幣），同時將超材料列為下一代隱形戰鬥機的核心關鍵技術。
在多個專案的支持下，超材料技術取得了一系列新進展。例如，美國能源部勞倫斯 · 伯克利國家實驗室與加利福尼亞大學合作完成了負折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國加利福尼亞大學完成了利用負折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國普渡大學和諾福克州立大學合作完成了負折射率材料對光線吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯 · 伯克利國家實驗室的研究團隊製造出了全球首個非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個方向都會得到增強；2014年，法國國家科學研究中心和法國波爾高等化學物理學院的研究人員通過結合物理化學組成和微流體技術，研發出了第一個三維超材料。
使用超材料的隱身衣
在超材料應用方面，有關國家和機構近年來啟動了多項研究計畫。如DARPA 實施的負折射率材料研究計畫；美國杜克大學開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級和可重構的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業獲得小企業創新計畫和企業技術轉移資助計畫資助，對超材料技術進行了大量研究和產品轉化。目前，超材料領域已初步形成的產品包括超材料智慧蒙皮、雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、通信天線、無人機載雷達等。
神奇功能改變未來作戰
超材料因其獨特的物理性能而一直備受人們的青睞，在軍事領域具有重大的應用前景。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湧現，展現出巨大應用潛力和發展空間。
隱身是近年來出鏡率最高的超材料應用，也是迄今為止超材料技術研究最為集中的方向，如美國的 F-35 戰鬥機與 DDG1000 大型驅逐艦均應用了超材料隱身技術。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，使軍事隱身技術發生革命性變革。超材料實現隱身與傳統隱身技術的區別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術上實現真正意義上的隱身。
在電磁隱身方面，2006 年，美國杜克大學與英國帝國學院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設計方案，這種設計方案由 10 個同心圓筒組成，採用矩形開口環諧振器單元結構，實驗結果證實負折射率材料用於物體的隱身是可行的。2012 年，美國東北大學採用摻雜鈧的 M 型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設計和試驗了可在 33 ～ 44 吉赫茲電磁波段實現可調的負折射率材料。美國雷神公司開發了“透波率可控人工複合蒙皮材料”，該材料採用嵌入了可變電容的金屬微結構頻率選擇表面，通過控制載入在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數，從而實現材料透波特性的人工控制，可應用于各種先進雷達系統和下一代隱身戰機的智慧隱身蒙皮。
在光學隱身方面，2012 年，加拿大超隱形生物公司發明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰機、艦艇和坦克上應用。2014 年，美國佛羅里達大學的研究團隊研製出一種可實現可見光隱身的超材料，實現這一技術突破的關鍵是利用納米轉移印刷技術製造出一種多層三維超材料。納米轉移印刷技術可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現隱身。
在聲隱身方面，2011 年，美國杜克大學卡默爾教授的團隊開發出一種二維聲學斗篷，能使 10 釐米大小的木塊不被聲波探測到。2014 年 3 月，杜克大學製造出世界上首個三維聲學斗篷，它是一種利用聲隱身超材料製成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面傳播，不反射也不透射，實現對探測聲波的隱身。三維聲學斗篷由一些具有重複排列小孔的塑膠板組成，能在 3 千赫茲的聲波下表現出完美的隱身效果，驗證了聲學斗篷應用於主動聲呐對抗的可行性。此外，美海軍自主開發一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術，製造一種六角形晶胞結構的鋁材料，並將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內，實現對聲波引導，達到隱身目的。聲隱身超材料技術的發展將對潛艇等水下裝備的隱身產生變革性影響，有可能改變未來水下戰場的“遊戲”規則。
除了傳統意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員利用機械超材料製成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術，可以欺騙人體和探測設備的感測器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物製成，具有特殊設計的次微米精度的晶體結構。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機械性能。利用這種超材料製造的隱形斗篷可以遮罩儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術雖然還在純粹的基礎物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應用開闢一條新路。
天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國外眾多實驗表明，將超材料應用到導彈、雷達、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的頻寬，有效增強天線的聚焦性和方向性。
天線方面，雷神公司研發了超材料雙頻段小型化 GPS 天線，通過精確的人工微結構設計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的頻寬得到大幅拓展，其可應用於對天線尺寸要求苛刻的飛機平臺與個人可擕式戰術導航終端。2011 年 2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學聯合開發了一種新型電磁超材料，可用於在喇叭形衛星天線上，使產品體積更小，製造成本更低，並能夠顯著提高航天器天線的性能。2014 年，英國 BAE系統公司開發出一種可用于無人機通信的超材料平面天線，可使電磁波在透過平面天線後進行聚焦，在實現對電磁波聚焦的同時保留了平面天線的寬頻性能，克服了傳統抛物面天線變為平面天線所帶來的頻寬損失、低增益等問題，同時可實現一個天線替換多個天線，減少天線的數量。這一技術突破可能使飛機、艦艇、衛星等天線的設計產生劃時代的變革。
雷達天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發出雷達罩用超材料智慧結構，並應用於美軍新一代的E2“鷹眼”預警機，大幅提高了其雷達探測能力。通過採用超材料的特殊設計，該專案提供了解決傳統雷達罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結構品質輕，方便後期的改裝和維護，極大提高了 E2“鷹眼”預警機的整體性能。
導彈天線罩方面，美國雷神公司研製了基於超材料的導彈天線罩，可以使穿過導彈天線罩的電磁波不產生有效折射，有效提高導彈打擊精度。
用於製作光學透鏡的超材料，可以製作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應用於微量污染物質探測、醫學診斷成像、單分子探測等領域；高定向性透鏡主要應用於透鏡天線、小型化相控陣天線、超解析度成像系統等領域；高分辨能力的平板型光學透鏡主要應用於積體電路的光學引導原件等領域。2012 年，美國密西根大學完成一種新型超材料透鏡研究，可用於觀察尺寸小於 100 納米的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜範圍內工作性能良好。
結 語
超材料的重要意義不僅體現在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法—人們可以在不違背物理學基本規律的前提下，獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”。“一代材料，一代裝備”，創新材料的誕生及發展必將會催生出新的武器裝備與作戰樣式。誕生不久就受到全世界擁躉的“超級材料”能否成為下一個新材料傳奇？不禁令人無限地遐想和期待。