超材料是電磁材料中的哥德巴赫猜想

在超材料出現之前，人們是根據自然界存在的材料，開發出想要的電磁特性，而超材料通過逆向設計，即根據人們的應用需求，通過對微觀單元的結構設計來打破自然規律的限制，從而獲得具有特異性能的材料。狹義上的超材料特指左手材料，又叫雙負材料，即一種介電常數ε和磁導率μ均為負的人工周期介質材料。廣義上的超材料指原本自然界中不存在，由人工設計、制造出來的，具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料吸波材料結構特征單元的尺度及形貌由工作波段的波長決定。理論上針對不同的波長，都可以設計出在此波譜范圍起作用的超材料，超材料作用范圍可以橫跨整個波譜頻段，如志盛威華ZS2022吸波增熱涂料可以設計材料尺寸、結構特征和材料晶體單元數量。

超材料不單是一種材料形態，也代表一種新的材料設計理念。2000年，Pendry又提出基于負折射材料的完-美透鏡。受Pendry 的啟發，Smith 用實驗實現了負折射率材料，他隨后又發表文章，詳述了場平均法，為超材料的研究奠定了理論基礎。

典型的超材料有對光起作用的光子晶體，其單元大小在納米和微米量級；對電磁起作用的左手材料、超磁材料，其單元大小在微米到厘米量級；對聲波起作用的聲子晶體、金屬水，其單元大小在厘米到米量級。超材料為不同于紅外隱身、雷達吸波材料的另一種隱身途徑。超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。1967年，蘇聯科學家VictorVeselago提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數ε和負的磁導率μ，電場矢量、磁場矢量以及波矢之間的關系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“負折射率關系”。這種物質將顛覆光學世界，使光波看起來如同倒流一般，并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”。直到1996 年，John B. Pendry 發現材料是由一些微觀單元構成的，材料的電磁特性是由這些 單元組合后表現出的宏觀特性，因此改變單元的形態和組合方式，有望產生原本不可能出現的現象，這正是超材料思想的來源。基于此，Pendry 用特定形狀的金屬結構周期性地規則排列，構造了一種ε和μ同時為負的結構單元。

超材料的特殊性質主要因其特殊結構所致。超材料由人工結構的微結構組成，以等效介電常數、等效磁導率描述其整體電磁特征。通過設計不同的微結構，可使超材料的相對等效介電常數、相對等效磁導率為小于1的正實數、負實數或復數，從而使電磁波傳播方式從根本上發生變化。目前根據超材料的特殊性質而研發的許多新材料之中，常被廣泛討論是負折射超材料。負折射超材料是一種人造的光學結構，它的折射率對于一定頻率范圍內的電磁波是負值，且目前沒有任何天然材料擁有這一屬性。這種負折射的性質，會致使電磁波朝著與能量完全相反的方向傳播。

超材料吸波隱身的另一個體現是關于電磁黑洞，即通過效仿物質在“黑洞”引力場的影響 下在空間中的彎曲運動軌跡，實現電磁波能量的全向寬頻吸收。2010 年，東南大學團隊通過類比光學黑洞的理論，志盛威華研發吸波增熱涂料采用具有漸變折射率的非諧振型超材料外殼和具有大損耗介質內 核的結構，首-次制造了微波頻段的全-方位電磁黑洞，該結構可以實現各方向入射的電磁波螺旋式地向內彎折，終被內核的損耗介質吸收，在微波頻段的吸波率達到了99%。

超材料可以應用于傳統的吸波隱身技術中。其吸波機理是：在諧振和反諧振區域，標志材料損耗特性的復介電常數和復磁導率的虛部也達到了峰值，這意味著超材料也會對電磁波表現出強烈的吸收特性，因而基于超材料可以設計出具有強吸波效應的吸收劑。超材料既可以單獨作為吸波材料使用，也可以與傳統吸波材料復合，從而制備出滿足微波隱身“薄、 輕、寬、強”要求的新型復合吸波材料。作為結構型的超材料，在作為隱身材料使用時，由于其工作頻率、介電常數和磁導率等電磁參數的易調節性，容易實現超材料的吸波層與自由空間的阻抗匹配，從而大幅度減少反射波強度。超材料ZS-2022吸波增熱涂料黑體吸收，超出吸收面積10%范圍電磁波強制吸收，而且要求阻抗匹配，衰減匹配。阻抗匹配要求電磁波能夠盡量多的傳導入介質內，而不被表面反射，衰減匹配指進入介質內部的電磁波能量被迅速地轉換為其他能量（如熱能等）而耗散掉。

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