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超材料为装备穿上“隐身衣”

发布时间:2019-10-09 15:34:28

作为新时代我国材料领域科技创新的切入点与着力点之一,超材料是进一步推动我国材料科技突破和产业化发展的重要领域。在国防军工领域率先应用与军民融合的大背景下,超材料将迎来产业发展新契机。

“按需定制”新材料

根据不同应用需求,制造具备特定性能的材料

超材料又名超颖材料,是指通过人工结构实现的、具有天然材料所不具备的超常性质材料系统,是新材料领域重要的发展方向之一。通过对材料结构的创新设计,可广泛应用于无线通信、航天航空、新能源利用、生物医疗等众多领域。

超材料是一种特种复合材料或结构,通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计,获得常规材料所不具备的超常物理性质。“通俗地讲,以往的创新是根据自然界有什么材料,制作什么样的物品。超材料则是逆向思维,根据不同应用需求,制造具备特定性能的材料,真正做到‘按需定制’。比如要求材料具有电磁波隐身功能,可以通过设计算法,重新排布微结构单元,改变其电磁传播性质,为它穿上‘隐身衣’。”光启集团电磁设计部部长商院芳说。

“十二五”期间,863计划新材料技术领域办公室支持了“超材料及其相关器件关键技术研发”主题项目。该项目牵头单位为光启集团旗下的深圳光启高等理工研究院,研发项目课题为“超材料空间调制技术研究与产业化”。

该项目开展了大量系统研究工作,突破了介质基超材料及器件的关键制备、基于超材料的天线小型化等技术,实现了超材料空间调制技术在数字微波天馈等系统中的应用,解决了关键技术障碍;并建成了一条超材料生产精试线,为超材料创新技术发展提供了量产验证基地和工艺验证基地。该项目的实施提升了超材料及其相关器件研发与应用的理论和技术支撑水平,整合了国内超材料研究的优势力量,培养了一批超材料领域的科研团队,形成了超材料设计、研发、制造和测试平台。

为进一步推动我国材料领域科技创新和产业化发展,科技部制定了《“十三五”材料领域科技创新专项规划》。在基础材料产业结构调整与产业升级方面,大力推进钢铁、有色、石化等传统(基础)材料技术提升,满足国家建设需求、实现节能减排;在新材料技术发展方面,重点发展战略性电子材料、先进结构与复合材料、新型功能与智能材料,满足战略性新兴产业的发展需求;发展前瞻性材料技术,突破纳米材料技术、材料基因工程技术,形成新的技术和经济增长点;加强材料基地与人才队伍建设,增强材料领域的持续创新能力。

超材料技术加速应用

我国以战略新材料为纽带,围绕装备发展需要,率先推进超材料产业化

超材料是当前国际上应用于现代高端装备领域最热门的新兴技术之一。超材料的发展已成为国际军事竞争的重要一环。远望智库高级研究员安士东认为,作为国际战略前沿技术,超材料的应用将大幅提升军事装备隐身性能,减少维护费用与难度,增强对抗能力。国际上,美国国防部将超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一,美国军方将超材料率先应用于最先进的军事装备;日本和俄罗斯将超材料列为下一代隐身装备的核心关键技术。

“一代材料,一代装备”“装备发展,材料先行”。过去,受制于材料科学的落后和国际封锁,我国装备制造难以进入高端,成本也始终难以控制。近年来,我国以先进能源材料、高性能膜材料等战略新材料为纽带,围绕装备发展需要,重点突破智能仿生材料、极端环境材料等前沿材料领域,抢占前沿装备材料制高点,率先推进超材料的产业化。

在超材料交叉学科及其应用上,以光启集团为代表的国内企业和机构做了诸多探索。成立7年来,光启集团的专利申请总量超过4400件,其中超材料领域专利申请量占该领域专利申请总量的86%。此外,去年实施的《电磁超材料术语》为光启集团牵头起草,作为全球首份超材料领域国家标准,打破了欧美对前沿科技的技术和标准垄断。

2012年7月,光启超材料中试线投产,目前已具备每年生产超过10万平方米超材料的产能;2015年3月,光启超材料中试线二期投入使用;2015年12月,国家科技部依托光启高等理工研究院建设的超材料电磁调制技术国家重点实验室通过验收,成为我国唯一超材料技术的国家重点实验室。

以超材料技术为基础,目前光启集团尖端装备业务已形成超材料功能结构件、超材料电磁罩、超材料天线及优化组件3大产品体系,相关产品已在我国多型军用飞机、海军装备、导弹、反隐身雷达系统等核心高端装备上逐步得以应用。此外,光启集团尖端装备业务也积极向电磁防护应用领域延伸。2011年,深圳光启尖端技术有限责任公司成立,至今已承接国防军工项目超过40个,涉及多项国防重点型号装备。同时,光启集团、中航工业等单位联合开展了武器装备预先研究课题的论证与合作,正大力推进将超材料技术运用到新一代武器装备的论证研究,深入探索军民融合发展之路。

军民融合带来广阔前景

许多新技术和新产品将有机会转化成民用产品,成为拉动经济发展的新引擎

今年3月,英国咨询公司ReportBuyer在研究报告中指出,到2022年,全球超材料市场规模将超过14.3亿美元。受益于早期的科研基础和政府支持,美国是目前全球最大的超材料市场。此外,在中国、巴西等新兴经济体,超材料也有巨大的市场潜力。

经过多年发展,超材料在完成了技术化、工程化到产品化的过程后,实现了从科学实验到高尖端装备的应用,也具备了在装备硬件上普及的可能性。赵治亚认为,军民融合成为新经济发展的重要契机,许多大型国家级工程中应用的新技术和新产品,将有机会转化成契合民用市场需求的产品,成为拉动经济发展的新引擎。在国防军工领域已经有应用的超材料,也迎来了同样的产业发展机遇。

北京军事科学院军制研究部研究员栾大龙认为,作为“国家与国家之间的技术战略较量”重要领域,超材料无论在国防军工还是军民融合领域,都将大有可为。由科技与资本双轮驱动,带动成熟稳定的军用技术转入民用,可以为经济社会发展提供强大的推动力。

在光启集团,超材料已经迎来产业化重要节点。今年初,光启集团超材料团队进驻光启技术,将募集到的68.94亿元资金,用于超材料智能结构及装备产业化项目,主要产品包括地面行进装备超材料智能结构和可穿戴式超材料智能结构。光启技术将通过实施募投项目,率先实现超材料智能结构及装备产业化。

今年9月,光启集团还与雄安新区开展全面合作,成立雄安光启军民融合创新中心,推动形成全要素、多领域、高效益的军民融合深度发展格局;并规划成立超材料前沿技术研究院,建成以复合超材料智能结构为特色,以电磁功能、力学功能、射频功能、耐环境功能等为方向,集研发、设计、应用、服务于一体的综合研发机构。

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