一代材料,一代装备
材料技术是社会发展的物质基础和先导,也是一个国家国防力量最重要的物质基础。国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者,新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。
行业内有着“一代材料,一代装备”的说法。在军用飞机领域,材料的进步对战机的升级换代起到关键的支撑作用。比如,为达到结构减重、满足高温条件下结构强度要求及实现结构的隐身要求等,90年代后期出现的以美国F-22战机为代表的第五代战斗机,钛合金和复合材料用量均大大超过传统航空金属材料比例,F-22的结构重量系数降到了27.8%。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷,不仅可以增加飞行距离,而且可以提高单位结构重量的效费比。
军机的换代伴随着发动机核心材料—高温合金的升级。第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金,核心材料工作温度650℃,到第四代的涡扇发动机,核心材料工作温度已经达到了1200℃,采用了单晶高温合金。新型的先进航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的40%-60%以上。在航空工业的发展需求牵引下,中国高温合金先后研制出了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世,不断地推动航空工业向前发展。
目前,钛合金、复合材料、超高强度钢、高温合金等结构材料以及光电功能材料、贮氢材料、隐身材料等功能材料在航空、航天、船舶、兵器行业得到大量应用,而这些传统高新材料非常依赖各类稀缺资源,因此必须探索创造能超越常规材料物理性质极限的新型材料。
神奇的超材料
根据广义相对论,时间和空间都是可以“弯曲”的,而空间里的光线同样可以弯曲,前提是设计并制作出足够小的“设备”。1968年,前苏联物理学家菲斯拉格(Veselago)提出了介电常数和磁导率可能同时为负的理论,并在理论上预测了这种“反常”的材料。近年来,科学家沿着菲斯拉格的理论,依靠一些间隔仅有1毫米的几千分之一的人工结构,将材料的单元结构集合,通过不同的结合结构和排列设计制造出各种超材料,实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想。
“超材料(Metamaterial)”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料,能实现天然材料望尘莫及的弯曲、散射或传输电磁波等特殊性能。超材料的成分上没有什么特别之处,它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构,大小尺度小于它作用的波长,因此得以对波施加影响。超材料的设计思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制,从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下,人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”,把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。超材料作为一种新型功能性材料,它的制造工艺及其复杂,主要包括印刷电路板工艺、光刻工艺、掩膜印刷法、电子束刻蚀工艺等。其中,光刻工艺是将光敏高分子制成一定图形的抗蚀性膜,再用化学或电化学方法进行腐蚀或电镀的加工工艺,目前已应用于单层及多层太赫兹(THz)频域(30μm-3㎜)超材料的制造。电子束工艺是利用极小波长的电子束在高加速电压下对基片上的抗蚀剂(PMMA、ZEP等)进行曝光,在抗蚀剂中产生具有不同溶解性能的区域,然后用显影液进行溶解,得到所需的图案,再进行金属层或介质层的沉积。由于采用极小波长的电子束,这种工艺可以得到比标准光刻工艺更小的纳米尺度。超材料制造技术需要微纳米尺度上的光刻和蚀刻工艺,由此可见,超材料制造工艺更加类似于半导体,而与单纯的其它基础性材料或者普通复合材料大相径庭。超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别,以往是自然界有什么材料,就能制造出什么物品,而超材料完全是逆向设计,根据针对电磁波的具体应用需求,制造出具有相应功能的材料。
由于具有自然材料不具备的超分辨成像、电磁隐身和电磁吸波等方面超常规物理性能,超材料将是未来电子信息化作战的核心技术之一。
将改变未来战争形态
2006年,多名研究者在美国国防高级研究计划署(DARPA)资助的项目中,成功使用负折射率超材料让一个物体在微波射线下隐形,人类有史以来第一次实现了“隐身斗篷”的梦想,拥有了能使普通物体隐形的方案。在负折射率材料中,当光线从正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时,光的折射与常规折射相反,入射光线和折射光线处在于界面法线方向同一侧,也就是说,在这种材料中,光出现了异常传播,出现了扭曲的现象,这是一种可以操纵光的材料。
隐形斗篷光学原理图
光操纵超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射,从而达到让物体隐形的目的。根据制作方式和材料的不同,超材料还能散射微波、无线电波。实际上,任何一种电磁频谱都能被超材料所控制。
此后,德国科学家使用一种叫作“径直激光平版刻录”技术制成由微型塑料棒构成的隐形材料片。将上述隐形材料片覆盖在物体上,在红外照相仪观测下,隐形材料改变了覆盖物周围光线的速度,从而使覆盖物和被覆盖物一同消失。
这种隐形并非让物体变得不可见,而是实现在物理上的隐藏。包括美国国防高级研究计划署在内的军方机构,寻求的正是这种隐藏技术,以便让飞机在军事雷达探测范围内隐身。
未来战场中,某超级大国空军有人及无人战机协同作战,这些战机装备了先进超材料隐身技术,使战机雷达反射面达到了恐怖的比0.01平方米还要小一个或几个数量级的程度,进入对手领空如入无人之境,轻松摧毁敌防空阵地、指控中枢等重点军事目标,对手战机甚至没有升空作战就被击毁在地面。未来,掌握先进超材料技术的一方对战场态势洞若观火,而敌方将变成聋子瞎子,只有挨打的份儿。先进超材料技术可使武器装备获得压倒性的不对称战略优势,将成为改变未来战场态势的关键技术。
我国先进隐身战机在航展现场进行了精彩的飞行表演,战机机翼、垂尾、进气道、雷达罩等白色部位即为隐身超材料结构
走出实验室,走向战场,中国走在前列
由于超材料技术在国防军事领域的重要性,美国国防部将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一。包括波音、洛·马及BAE系统公司等军工巨头在超材料研究中投入巨资,此外,美国国防部还专门启动了关于超材料的研究计划,美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。据统计,美国军方共支持了超过100家企业及机构开展超材料应用研究,领域涵盖雷达导弹天线罩、通信天线、电磁波隐身、光波隐身、声波隐身技术等。目前,美国F-35隐身战斗机、B-2战略轰炸机以及DDG-1000滨海战斗舰上都应用有超材料技术。
相比于美国超材料技术的发展,中国在超材料领域的发展模式则更加聚焦。我国在973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究均予以立项支持。在超材料隐身技术、声波负折射等基础研究方面,我国企业取得了多项原创性成果,并在世界超材料产业化竞争中占到先机。
成立于2010年的深圳光启是我国超材料领域的杰出代表。公开数据显示,经过12年发展,光启目前已在世界范围申请超过6000件专利,约占相关领域专利申请总量的80%以上,公司还在超材料产业化方面走在世界前列。
在11月13日刚刚结束的第十四届中国航展上,光启首次发布了可以实现三维超材料工程化应用的第四代超材料技术,实现了由2D向3D设计的重大技术突破和超材料制造工艺的升级改进,并展示可应用于“陆海空”的近三十种超材料结构件样品。
光启董事长刘若鹏在航展现场介绍说,第四代超材料技术具有三大特点,首先它在很多关键指标上面有十倍数量级的提升,其次具有更大的超大带宽特性,第三就是工艺制造结构,可以让重量更轻。更重要的是,第四代超材料应用范围进一步提升,“不仅仅应用在机身的关键部位上面,它可以覆盖在装备全身”。
光启展出的第一代至第四代超材料结构
超材料结构部件在先进飞行器上的应用展示
作为我国新一代尖端装备的核心供应商,光启十年如一日深耕于超材料技术底层基础科学研究,构建了自主可控全产业链体系,是国内唯一一家将超材料技术形成产品并大规模应用于尖端装备领域的高新科技企业。目前光启超材料结构件已覆盖多个装备体系,几十个关键部位。
航展现场光启展示的三十余件超材料结构件样品
有调研公司预测,超材料产业发展将呈现逐年递增态势,预计未来十年复合增长率有望超过20%;可以预计,随着全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大,一个可带动诸如航空航天、国防科技等领域的千亿规模的超材料产业集群正在崛起。超材料作为装备产业链最上游,将受益于新型装备的加速列装,及超材料用量占比持续提升,超材料将持续高速增长。
作为制造业中知识密集、创新活跃、附加值高的关键领域,以超材料为代表的中国先进制造业近年来快速发展。在超材料技术的重要应用方向上,未来隐身装备将决定战场态势的塑造,隐身技术将具有前所未有的重要性。中国从以前隐身装备领域的追赶到现在同步发展,再到未来形成赶超。中国隐身技术,将成为美尖端装备最担心的强劲对手。
