新技術(shù)前瞻專(zhuān)題系列(四)：超材料(Metamaterial)行業(yè)研究框架

Q1超材料是什么？超材料是一種由人工微結(jié)構(gòu)組成的特種復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)材料關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。超材料的應(yīng)用與原有的材料制備有很大的區(qū)別，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是根據(jù)需求逆向設(shè)計(jì)。超材料的超常物理特性主要表現(xiàn)為負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)等。超材料根據(jù)設(shè)計(jì)原理主要分為電磁超材料、聲學(xué)超材料、熱超材料。通過(guò)電磁超材料來(lái)應(yīng)用和控制負(fù)折射率就能改變?nèi)祟?lèi)看到物體的方式，有望應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域。通過(guò)應(yīng)用電磁超材料，理論上可以制造出可以看到更小物體的特優(yōu)透鏡（理想透鏡）和光學(xué)迷彩（隱形衣）。熱超材料可以通過(guò)對(duì)陽(yáng)光的反射或吸收來(lái)降低設(shè)備內(nèi)部的溫升，保護(hù)電子設(shè)備免受劇烈溫差的影響。聲學(xué)超材料除了作為輕量且有效的隔音材料外，還有望提高超聲波傳感器的設(shè)置和運(yùn)用方法以及醫(yī)學(xué)中超聲波檢查的靈活性。資料來(lái)源：muRata圖1:超材料的分類(lèi)、功能及應(yīng)用前景圖2:使用電磁超材料控制光折射率的示意圖資料來(lái)源：muRataQ2超材料與天然材料相比有哪些優(yōu)勢(shì)？

資料來(lái)源：muRata

東興證券研究所 與天然材料相比，超材料的優(yōu)勢(shì)是可以由人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)單元制造出來(lái)。天然材料來(lái)自自然，易于獲得卻難于設(shè)計(jì)。超材料正好相反，易于設(shè)計(jì)，但在很多情況下卻難于獲得。超材料通常由微米或納米級(jí)的人工結(jié)構(gòu)單元組成，這些單元按照特定的設(shè)計(jì)規(guī)則排列，賦予材料獨(dú)特的電磁、光學(xué)、聲學(xué)或力學(xué)特性。與傳統(tǒng)材料相比，超材料由人工設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波、聲波或電磁波的操控，展現(xiàn)出如負(fù)折射、完美隱身、超分辨率成像等奇異現(xiàn)象。超材料的特殊物理性質(zhì)是由人工結(jié)構(gòu)決定的，這些特性使超材料能突破一些表觀自然規(guī)律的限制。超材料可以通過(guò)控制電磁波（光、電波）和聲波等特定波長(zhǎng)波的反射和透射，表現(xiàn)出與自然界中的物質(zhì)不同的行為。超材料中的左手材料同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。電磁波在該材料中傳播時(shí)的電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量以及波矢量之間的關(guān)系將不再遵循經(jīng)典電磁學(xué)中的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“左手關(guān)系”，這時(shí)材料中電磁波的波動(dòng)方向和能量傳播方向相反，并表現(xiàn)出一系列有違常理的特性，例如光的負(fù)折射、反常多普勒效應(yīng)、倏逝波放大、完美透鏡效應(yīng)，以及反常切連科夫輻射等。圖3：超材料的超常特性之一：負(fù)折射概念圖資料來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，科學(xué)網(wǎng)超材料的超常物理特性主要有：負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、完美透鏡效應(yīng)等。這些奇異特性不主要取決于構(gòu)成材料的本征屬性，而是由超材料單元結(jié)構(gòu)的圖案形狀、尺寸、排列方式以及介質(zhì)層的電磁參數(shù)等因素決定。圖4：超材料的主要超常物理特性01020304負(fù)折射率光波或電磁波在通過(guò)超材料時(shí)，其相位和群速度方向相反，自然界的材料不具備這種性質(zhì)逆多普勒效應(yīng)觀察者離波源（包括聲源、光源）越近，頻率減少或不變完美透鏡效應(yīng)某些超材料能夠恢復(fù)出經(jīng)過(guò)物體散射后的消散波，從而突破傳統(tǒng)透鏡的衍射極限，實(shí)現(xiàn)超分辨率成像逆Cerenkov輻射效應(yīng)帶電粒子在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，介質(zhì)中產(chǎn)生誘導(dǎo)電流，由這些誘導(dǎo)電流激發(fā)次波，當(dāng)帶電粒子的速度超過(guò)介質(zhì)中的光速時(shí)，這些次波與原來(lái)的電磁場(chǎng)互相干涉，可以形成輻射電磁波。這種輻射稱(chēng)為Cerenkov輻射。在右手材料中電磁波激發(fā)的輻射以銳角向前散射，而在左手材料中，電磁波的輻射方向發(fā)生了改變。在左手材料中則以鈍角向后散射。作為一大類(lèi)全新的材料系統(tǒng)，從超材料的研發(fā)到產(chǎn)生顛覆性技術(shù)需克服一系列技術(shù)障礙。根據(jù)裝備對(duì)電磁調(diào)制的不同需求，通過(guò)反向設(shè)計(jì)和特殊工藝實(shí)現(xiàn)材料的微結(jié)構(gòu)，就可使該材料在保持承載功能的同時(shí)還具備裝備所需的電磁調(diào)制功能。模擬設(shè)計(jì)技術(shù)專(zhuān)用設(shè)計(jì)尚需完善目前超材料的研究以原理性探索為主，模擬仿真技術(shù)基于簡(jiǎn)單模型和通用的模擬軟件，而實(shí)際應(yīng)用的器件設(shè)計(jì)需要考慮多種服役因素、多場(chǎng)耦合和海量計(jì)算。制備技術(shù)依賴(lài)于加工技術(shù)超材料制備需要精密的材料加工，特別是一些電磁超材料（如太赫茲以上頻率的電磁超材料）的制備依賴(lài)于相關(guān)加工技術(shù)的進(jìn)步。工程可行性和服役性能減薄與輕量化超材料由大量的人工結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，這種單元陣列的可工程化及其服役性能是其應(yīng)用的難點(diǎn)，利用電磁斗篷實(shí)現(xiàn)軍事目標(biāo)的完美隱身需要在其外面包覆較厚的超材料“鎧甲”，如何將其減薄是一個(gè)重要難題。圖5：超材料的主要難點(diǎn)資料來(lái)源：《中國(guó)工程科學(xué)》(清華大學(xué)材料學(xué)院)整理Q3超材料的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些，市場(chǎng)前景如何?資料來(lái)源：中國(guó)工程科學(xué)圖6：超材料透鏡原理示意圖資料來(lái)源：AccSci超材料透鏡是一類(lèi)典型的顛覆性技術(shù)，打破傳統(tǒng)透鏡受到衍射極限的約束限制。傳統(tǒng)光學(xué)器件無(wú)法對(duì)尺度小于半個(gè)工作光波長(zhǎng)的物體成像，其深層物理原因是常規(guī)介質(zhì)中消逝波的衰減。超材料透鏡會(huì)使電磁波中的消逝波成分被放大，其中所攜帶的信息就可以在負(fù)折射率介質(zhì)材料中傳播。由負(fù)折射材料制備的平板具有成像的功能，物體發(fā)射出的光線會(huì)經(jīng)負(fù)折射率平板前后界面兩次折射后重新匯聚在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)衍射極限的成像。圖7：超材料透鏡與傳統(tǒng)透鏡對(duì)比超材料透鏡在生物、材料、微電子學(xué)、光學(xué)工程領(lǐng)域都有急切的需求，還可應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域（VR眼鏡）上。超透鏡可以對(duì)病毒和DNA分子、細(xì)胞以及各種材料的顯微結(jié)構(gòu)等在自然環(huán)境中進(jìn)行直接觀察。同時(shí)，基于超材料的完美透鏡可實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的光刻，一旦實(shí)現(xiàn)將使微電子加工技術(shù)水平大幅度提高，從而進(jìn)一步延續(xù)集成電路的摩爾定律。圖8：超材料透鏡的特點(diǎn)資料來(lái)源：《中國(guó)工程科學(xué)》(清華大學(xué)材料學(xué)院)整理資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所資料來(lái)源：muRata超材料隱身斗篷技術(shù)已開(kāi)始在軍事裝備中獲得應(yīng)用，超材料隱身技術(shù)得到了各國(guó)軍工界的廣泛重視。超材料通過(guò)控制電磁波的散射和反射，使物體在雷達(dá)、紅外線等探測(cè)手段下難以被發(fā)現(xiàn)。與傳統(tǒng)隱身技術(shù)相比，超材料隱身的特點(diǎn)是靠導(dǎo)引電磁波，而不是靠吸收電磁波，因此沒(méi)有目標(biāo)影子，是國(guó)防軍工領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。該技術(shù)也可應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如保護(hù)個(gè)人隱私等。超材料可以用于制作高靈敏度的天線，實(shí)現(xiàn)更高效的信息傳輸。由于超材料對(duì)電磁波的高效調(diào)控，超材料天線可以用于檢測(cè)微弱信號(hào)并增強(qiáng)天線的輻射效率。利用超材料超常的電磁性質(zhì)和高度可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，人們成功實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、高效、高增益、共型化、高信號(hào)選擇性等優(yōu)勢(shì)。由聲學(xué)超材料制成的器件可作為吸音、隔音材料被應(yīng)用于建筑工地或室內(nèi)吸音板，實(shí)現(xiàn)降噪。還可以應(yīng)用于醫(yī)療檢查，為疾病的早期診斷提供更精確的依據(jù)。例如，通過(guò)應(yīng)用超聲波透射超材料能提高物質(zhì)的超聲波透射性，可以進(jìn)行通常因超聲波無(wú)法透過(guò)頭骨而無(wú)法用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域腦部檢查的超聲波回聲檢查。圖9：超材料隱身斗篷技術(shù)示意圖（以水缸隱身塊為例） 圖10：通過(guò)對(duì)超聲波透射性的控制擴(kuò)大可檢查部位超材料的高效光捕獲能力為太陽(yáng)能電池的發(fā)展注入了新活力。由超材料推動(dòng)的一項(xiàng)重大進(jìn)步是開(kāi)發(fā)用于吸光技術(shù)的表面等離子體和等離子體光學(xué)天線。表面等離子激元具有在納米尺度上引導(dǎo)、集中和散射光的能力，這讓它成為增強(qiáng)太陽(yáng)能電池光吸收的理想選擇。超材料在能源傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用也具有廣闊前景。無(wú)線電力傳輸技術(shù)：在設(shè)備之間沒(méi)有物理連接的電能傳輸。在發(fā)射器和接收器之間產(chǎn)生電磁場(chǎng)以傳輸電力，該技術(shù)用于無(wú)線充電器、生物醫(yī)學(xué)植入物和電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備。隨著越來(lái)越多的設(shè)備走向無(wú)線化，并且超材料已經(jīng)呈現(xiàn)出使這些系統(tǒng)更高效的希望，對(duì)更高效的無(wú)線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)。圖11：無(wú)線電能傳輸(WFT)系統(tǒng)示意圖資料來(lái)源：AccSci圖12：超材料在光伏領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)資料來(lái)源：

AccSci中國(guó)超材料市場(chǎng)規(guī)?？焖侔l(fā)展，預(yù)計(jì)2029年規(guī)模達(dá)316.05億元。鑒于中國(guó)在超材料研發(fā)領(lǐng)域的實(shí)力，產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步完善的趨勢(shì)以及在應(yīng)用領(lǐng)域的拓展方面還有較大發(fā)展空間的現(xiàn)狀，2022年中國(guó)超材料市場(chǎng)規(guī)模總額達(dá)到132.67億元，同比增長(zhǎng)12.3%。中國(guó)超材料市場(chǎng)規(guī)模2018-2022年均復(fù)合增長(zhǎng)率為24.18%，據(jù)智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，市場(chǎng)規(guī)模在2024-2029年均復(fù)合增長(zhǎng)率為13.4%，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)超材料的需求仍在快速增長(zhǎng)。全球超材料市場(chǎng)總量增長(zhǎng)趨勢(shì)迅猛，競(jìng)爭(zhēng)格局為分散型。根據(jù)QYResearch（恒州博智）的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，2023年全球超材料市場(chǎng)銷(xiāo)售額達(dá)到了20.93億美元，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到548.6億美元,

2024-2030年全球超材料市場(chǎng)銷(xiāo)售額的CAGR為60.3%。全球超材料的核心廠商包括光啟科技、

Evolv

Technology、MetaShield LLC.、Pivotal

Commware、Echodyne等，前5大廠商共占有全球市場(chǎng)15%的份額。全球超材料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，主要廠商在技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)應(yīng)用等方面展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，這種競(jìng)爭(zhēng)有望推動(dòng)超材料技術(shù)不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。圖13：

2018年-2022年中國(guó)超材料產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模55.7972.393.22118.14132.67140120100806040200市場(chǎng)規(guī)模（億元）13.70%13.60%13.50%13.40%13.30%13.20%13.10%13.00%12.90%3503002502001501005002018 2019 2020 2021 2022 2024 2025 2026 2027 2028 2029資料來(lái)源：智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院

資料來(lái)源：智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院市場(chǎng)規(guī)模（億元）同比增速圖14：

2024年-2029年中國(guó)超材料產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模及同比增速預(yù)測(cè)Q4超材料技術(shù)對(duì)于各大科技強(qiáng)國(guó)和行業(yè)巨頭的重要性如何?超材料研究的重大科學(xué)價(jià)值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出的革命性應(yīng)用前景，使其得到了美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)政府，以及波音、雷神、光啟技術(shù)、英特爾、AMD等軍工巨頭或科技龍頭公司的強(qiáng)力關(guān)注。近年來(lái)，超材料在隱身、電子對(duì)抗、雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。未來(lái)，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應(yīng)用潛力，在各類(lèi)飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車(chē)輛等方面將得到廣泛應(yīng)用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。超材料實(shí)現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱身技術(shù)的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見(jiàn)光或聲波繞過(guò)被隱藏的物體，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)真正意義上的隱身。2010年，美國(guó)《科學(xué)》雜志將超材料列為21世紀(jì)前10年自然科學(xué)領(lǐng)域的10項(xiàng)重大突破之一。美國(guó)國(guó)防部把超材料列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)了關(guān)于超材料的研究計(jì)劃。美國(guó)最大的6家半導(dǎo)體公司英特爾、AMD

和

IBM

等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。日本和俄羅斯將超材料技術(shù)列為下一代隱身裝備的核心關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)也對(duì)超材料研究重視度較高，973計(jì)劃、863計(jì)劃、新材料重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目中均對(duì)超材料研究予以立項(xiàng)支持。資料來(lái)源：各公司官網(wǎng)，財(cái)富網(wǎng)，百度圖片圖15：波音、雷神、光啟技術(shù)、英特爾、AMD布局超材料領(lǐng)域波音雷神Q5超材料技術(shù)的發(fā)展會(huì)使哪些上下游產(chǎn)業(yè)受益?超材料產(chǎn)業(yè)鏈上游原料、生產(chǎn)環(huán)節(jié)有望受益。石墨烯和玻璃纖維作為制造超材料的主要原材料，隨著超材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展和市場(chǎng)需求總量的提升，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求和市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步水漲船高。過(guò)去5年內(nèi)中國(guó)石墨烯和玻璃纖維行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模、需求量持續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)勢(shì)頭明顯。2023年中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為386億元，同比增長(zhǎng)15.22%，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到441億元，2019-2023年均復(fù)合增速為24.05%。2016-2023年中國(guó)玻璃纖維市場(chǎng)規(guī)模年均復(fù)合增長(zhǎng)率為6.11%。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，2022年中國(guó)玻璃纖維表觀需求量為516.47萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)8.98%。圖16：2019-2024E中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及同比增速（億元，

）16323026533538644145%40%35%30%25%20%15%10%5%0%5004504003503002502001501005002019 2020 2021 2022 2023 2024E資料來(lái)源：中商產(chǎn)業(yè)研究院市場(chǎng)規(guī)模（億元）同比增速181.78億元2016275.28億元2023玻璃纖維市場(chǎng)規(guī)模CAGR=6.11%玻璃纖維市場(chǎng)表觀需求量473.9億元2021516.47億元2022超材料產(chǎn)業(yè)鏈上游還包括超材料的研發(fā)和設(shè)計(jì)。在這個(gè)階段，研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和科研院所扮演著重要的角色，致力于超材料的基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新。中游主要包括超材料的生產(chǎn)與制造。在這個(gè)階段，企業(yè)通過(guò)研發(fā)和生產(chǎn)超材料產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)需求。這些企業(yè)通常具備先進(jìn)的制備和加工技術(shù)，能夠?qū)⒊牧系脑O(shè)計(jì)和研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。下游主要包括超材料的應(yīng)用和市場(chǎng)銷(xiāo)售。在這個(gè)階段，超材料被應(yīng)用于光學(xué)、聲學(xué)、電磁等領(lǐng)域，滿足不同行業(yè)的需求。超材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括通信、傳感、能源等多個(gè)領(lǐng)域。超材料研發(fā)與設(shè)計(jì)超材料生產(chǎn)與制造超材料應(yīng)用與市場(chǎng)銷(xiāo)售圖17

超材料產(chǎn)業(yè)鏈上游中游下游資料來(lái)源：智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院光啟技術(shù)七大平臺(tái)賦能多個(gè)先進(jìn)制造領(lǐng)域光啟技術(shù)七大平臺(tái)能力中的先進(jìn)檢驗(yàn)檢測(cè)能力賦能新能源汽車(chē)行業(yè)。2023年12月，中汽研與光啟技術(shù)達(dá)成戰(zhàn)略合作，雙方攜手打造全球首個(gè)汽車(chē)緊縮場(chǎng)聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，將光啟技術(shù)在超材料領(lǐng)域積累的成熟方案直接應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)行業(yè)。該實(shí)驗(yàn)室在全球率先采用開(kāi)創(chuàng)性的航空試驗(yàn)方法，通過(guò)緊縮場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室來(lái)打造完整的汽車(chē)整車(chē)通信測(cè)試方案，精準(zhǔn)測(cè)量通信發(fā)射和接收能力，一舉填補(bǔ)了全球汽車(chē)行業(yè)整車(chē)天線測(cè)試的ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)的空白，也徹底解決了困擾全球新能源汽車(chē)廠商的通訊難題，幫助我國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)贏得發(fā)展先機(jī)和行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。據(jù)光啟技術(shù)董事長(zhǎng)劉若鵬透露，