超材料（metamaterials）是一種人工電磁功能材料，由經過設計的金屬微結構按既定的排布，鑲嵌在樹脂或陶瓷材料中構成，可實現對電磁波的調制，改變電磁波的傳播方式等。該種材料可突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超常的材料功能，為新材料設計開發帶來新的機會。作為一項誕生于2000年的新興交叉學科，超材料曾兩次入選美國《科學》雜志“世界十大科技突破”，并于2010年被美國《科學》雜志評為過去10年中人類最重大的10項科技突破之一。

    一、超材料應用前景廣闊

    超材料融合了電子信息、數理統計、生物醫學、無線通信等新興尖端領域先進技術，可廣泛應用于航空航天、無線互聯、生物醫療等眾多高新技術領域。因其特殊的電磁性能，超材料在雷達、隱身、電子對抗等諸多技術領域擁有巨大的應用潛力和發展空間。突破吸波理論極限的超高性能吸波超材料以及透明超材料已在隱身飛機上投入應用。超材料電磁薄膜衛星平板接收天線實現了平面化，具有小型化、可拼裝的特點，是對傳統拋物面天線的一次革命性技術創新。采用超材料技術制造的高頻射頻器件，其體積和質量是同類產品的1/4，峰值功率可達同類產品的4倍。此外，采用超材料技術，針對密度高、流量大、電磁環境復雜的WiFi無線覆蓋解決方案也即將投入應用。

    2013年，全球超材料產業市場規模約2.9億美元。而據美國BCC Research公司預測，2019年超材料市場規模將達到12億美元，2024年則將達到30億美元。預計2019-2024年的年均復合增長率將超過20%。其中，電磁超材料將占到全部超材料市場規模的40%～45%，應用前景十分廣闊。

    二、發達國家將超材料列入重要的戰略領域、產業化技術逐步成熟

    美國、日本及歐洲等國家將超材料作為具有國家戰略意義的新興產業，積極投入到超材料技術的研發中，力爭在超材料領域占據主導地位。超材料研究得到了美國、日本、歐盟、波音公司、雷神公司等國家或機構的長期資助，現已成為國際上最熱門的新興交叉學科。美國軍方確立超材料技術率先應用于最先進的軍事裝備，包括IBM和Intel在內的多家美國著名半導體公司共同出資設立支持超材料研究的基金。歐盟則對超材料的研究予以重金支持，組織數十位著名科學家在超材料領域聯合攻關。日本政府撥出巨額資金將超材料作為新學術領域研究的重點，并將超材料技術列為下一代隱形戰斗機的核心關鍵技術。同時，各國正積極促進超材料科技成果轉化及產業化。歐美等發達國家迅速出現一些專注于將超材料技術產業化的創業公司，例如，衛星通信創業公司Kymeta專注于超材料衛星平板天線的民用化，目前已獲得C輪融資5000萬美元，Metamaterial Technologies Inc.公司則致力于將超材料應用于光技術領域，進而為國防和空間技術服務，現已形成大批量生產能力。

    三、我國超材料技術總體處于國際先進水平

    我國在超材料領域內的研究起步較早，政府十分重視超材料技術的研發，并在多項國家重點科研項目中予以立項支持。包括多所著名大學和研究院所在內的科研機構對超材料的研究已有十余年，針對超材料在隱身、探測、核磁等多個相關領域的應用進行了大量基礎性研究工作，并獲得了一系列原創性成果。部分科研機構已研發了符合工業標準的超材料，制造出許多高性能超材料器件和產品，包括多功能復雜曲面超材料電磁罩、超材料超級陣列、高性能超材料天線、迷你基站射頻濾波器、超材料多制式兼容天線等。據了解，截至2013年，我國科研機構已在世界范圍內申請了超過2 400件超材料領域核心專利，占該領域專利申請總量的85%。同年，我國在全球范圍內率先啟動電磁超材料標準化工作，成立了全國電磁超材料技術及制品標準化技術委員會。

    四、我國超材料產業發展存在的主要問題

    1 超材料設計能力有待進一步提升

    為滿足對大量超材料微結構的精確仿真和計算，需要不斷優化運算模型，并進一步提高超算中心的運算能力。目前，我國在電磁器件仿真實驗、實驗設計、統計優化方面與發達國家存在一定差距。如在大規模復雜電磁結構數值分析和仿真實驗方面，國外已普遍利用統計建模和優化方法來實現電磁器件的設計和優化，并可根據實際情況對現有方法進行修正和改進，而我國超材料設計方法仍存在計算效率低、尋優算法收斂難等問題。

    ２制備加工技術難以滿足超材料產業化需求

    受制于制備工藝和設備不完善，現階段我國大部分超材料樣品是在“作坊式”的環境下制作出來的，部分復雜結構的超材料器件仍需通過手工完成。由此帶來的制備效率低、制備成本高、精細加工能力弱、可重復性差等問題成為制約超材料大規模產業化的主要瓶頸。如在微結構共形加工方面，目前尚難以實現復雜形面三維結構的加工，一般只能通過多塊超材料拼接完成，加工難度大，精度難以滿足設計要求。而在大幅面超材料微結構制備方面，超材料所要求的線路公差控制要求較高，達標設備供應商數量有限，貨源不穩定。

    ３高端測試設備面臨禁運

    西方發達國家長期對我封鎖超精密測試技術和儀器設備，導致我國在超材料的無損檢測領域內缺乏有效工具，難以實時監控超材料加工質量和精度。目前，研究人員大多依賴有損檢測及應用效果證實材料的有效性，導致超材料器件制備效率低、制備質量差、研制周期長，浪費了大量人力物力和時間成本。

    ４超材料服役條件下的適應性和可靠性尚需研究

    目前，針對超材料性能的研究多在實驗室條件下完成，而在服役條件下則缺乏相應的研究手段。探索超材料在服役條件下的性能演變規律和失效機理，進而改善超材料服役性能，確保使用可靠，將會進一步拓寬超材料的應用范圍。

    ５商業模式亟待創新

    超材料應用前景廣闊，但掌握超材料設計方法和制備手段的單位數量較為有限。受困于成本因素，目前超材料僅在軍事國防、部分公共設施等少數領域得到應用，并未在國民經濟相關領域實現大規模推廣。亟待通過商業模式創新，實現超材料在多個領域的大規模應用推廣和市場拓展。

    五、多措并舉，促進我國超材料產業快速健康發展

    1 建立標準，規范產業秩序

    標準化作為支撐科技創新配套鏈條的關鍵一環，將有利于推進超材料技術進步和成果固化，將為超材料產業的有序化、規范化、高速化發展提供技術支持，將為超材料產品的商業化、市場化提供保障，有利于引導資源的合理分配，規范超材料在經貿領域的秩序，統籌超材料上、下游產業的發展導向，促進超材料市場持續健康發展，進而拉動新材料產業領域經濟。

    ２統籌規劃，整合現有資源

    盡快建立超材料關鍵、共性技術研發和服務平臺，鼓勵企業、科研院所、關鍵用戶開展深層次的合作研發。成立技術創新戰略聯盟，整合系統資源，為超材料產業發展提供技術服務，促進超材料技術科技成果的轉化應用，進而帶動新材料、新一代信息技術、高端裝備制造等戰略性新興產業的跨越式發展，發揮產業示范引領作用。

    ３強化基礎研究，完善制備能力

    現階段，超材料技術大規模應用的主要瓶頸來自于加工和測試設備的缺失，應進一步強化超材料技術的基礎研究，完善基于超材料關鍵技術的產品設計、制備封裝、性能測試、工藝開發等技術，突破國外技術封鎖。

    ４ 積極推動，創新商業模式

    通過需求牽引，積極推動基于超材料技術的傳統產品升級和產業化推廣工作，優化制備工藝，降低生產成本，重點支持超材料技術在航空航天、衛星通信、無線互聯等領域的應用示范和創新工程。

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責任編輯：殷鵬飛

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