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超材料的应用前景及光启的超材料在我国尖端装备方面的应用

近年来,中国尖端装备行业正向数字化、网络化、智能化迈进,以光启的超材料技术为代表的先进技术正带来众多颠覆式创新,引领产业界大变革。

中国是什么时候和以什么方式支持开展超材料研究的,目前没有看到相关资料。但从201912月召开的中国第一届超材料会议上光启公布的一组超材料数据可以看出一点端倪:在2012~2019年光启共制造了15.24吨的超材料,其中有7.2吨用于2012~2016年期间。2017年光启收购光启尖端时曾公布了光启尖端参与的30个国防研制项目的情况。

201511月,中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所(以下简称“611所”)与光启在成都签署了《航空工业成都飞机设计研究所与光启技术股份有限公司先进航空功能与结构产品合作开发协议》,正式成为战略合作伙伴关系。

611所是中国航空工业集团公司直属科研单位,主要从事有人战斗机、无人机、临近空间飞行器等航空器的设计与研究工作,同时开展各类航空预研课题的研究。611因其雄厚的科研实力,齐全的专业设置,涵盖飞机设计、试验验证和技术支持三大领域,是我国飞行器设计的领先单位。

根据公告,611和光启将加强在航空技术、国防安全、超材料技术及产品、先进天线、雷达电子、通信情报、数据链、装备红外技术及产品、隐身技术及无人机智能结构等领域的合作,共同进行产品的研发、推广和应用,推进产品改良与升级。促进超材料在军品和民品等领域的应用。并将进行国家重点项目、前瞻性预研项目等领域的联合研究,从战略层面拓展合作空间。

2.隐身技术在高端战机上的应用

精确制导武器的广泛应用,意味着战场目标“发现即可命中”,使武器装备系统、尖端设施、作战部队生存能力及作战效能受到严重威胁。伪装和隐身技术作为反侦察手段,已成为战场上必不可少的部分。因此超材料首先使用在国防装备的隐身方面。

1)涂料隐身与超材料隐身的区别

目前全球最先进的战机隐身技术有两大类,一类是采用涂料隐身,另一类是采用超材料隐身。

传统的雷达吸波涂料最多只能覆盖到S波段。因为雷达吸波涂料受其工作原理限制,隐身频段和涂层厚度相关,其最大工作波长最多只能达到涂层厚度的十分之一左右。而在作战飞机上能够涂装的吸波涂料厚度是有限制的,这就导致传统的雷达吸波涂料无法实现对L及以上波段的雷达波的隐形。这就是我国先进米波雷达早在2013年就可以在四五百公里外连续跟踪F22的根本原因。

超材料将人类隐身技术带入了一个新时代:它既不是让电磁波反射,也不是让电磁波吸收,而是通过在物体表面覆盖特殊的超材料,引导着被物体阻挡的电磁波绕着走,从而实现完美隐身。相对于传统的雷达吸波涂料,超材料隐身技术首先是覆盖频带宽,能够覆盖1-18GHZ频段,也就是大部分军用雷达常用频段,甚至可以覆盖更宽的范围,比如太赫兹频段。其次是由于隐身材料本身就做成飞机的结构件,使它的维修成本非常低,不会出现涂层那种脱落或起皮现象。


中国的歼20使用的是光启生产的超材料隐身薄膜,该机正面雷达反射截面积为0.027平方米,远优于F-35 0.038平方米。而且该机机库里不用空调和加湿器,还可以露天停放,使用和维护费用相对低廉很多。据说歼20机身上这层超材料不仅可以让雷达波绕着走,从而探测不到飞机,而且还能收集敌方的电磁波信号从而可以反向定位雷达,可以对雷达发动超视距攻击。

据说歼20在西北军演中隐身功夫令军方震撼,歼10飞到半空中不管如何用雷达照射就是发现不了附近的歼20!

201912月举办的第一届超材料大会上,光启现场公布歼20F22一项测试数据的对比数据,“超材料研制阶段,RCS曲线测试了64万条,高达13600小时,超过了F-22研制过程中所有详细部件RCS测试10000小时的记录”,这表明光启技术所研制的超材料作为尖端装备的隐身解决方案,已然经受过比F-22规定标准更加严苛的测试。

RCSRadar-Cross Section(雷达散射截面积),是测试战机等装备隐身能力关键核心技术指标,它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度或散射截面积。由于尖端装备隐身与反隐身技术需要,须通过RCS技术进行测试试验来指导设计和改进武器装备,提高隐身性能,以应对雷达侦察、监视、跟踪与目标识别。

3.我国海陆空和战略导弹等尖端装备都有隐身要求

在军事装备领域,隐身技术的领先可以取得不对称的战略优势。除了各类航空航天器有隐身要求以外,水面和水下的各种舰艇,地面的坦克火炮甚至士兵(隐身衣)都有隐身需求。


现在超材料在国防方面的应用,已经不是单纯的材料应用了,而是完全融合到国防装备的器件中。比如说我国的先进飞机和大型无人机的一部分部件,在设计阶段就进行一体化设计,在保留传统的结构、承载功能的同时,还增加了隐身、传感等功能,让装备的电磁调制性能成数量级提升的同时,还从根本上解决了传统涂料维护困难的问题,让装备的全寿命周期综合成本降低50%

关于这一点,大家看下面这两幅图就能理解了。


我国是武器装备数量大国,其中军用飞机位列全球第三,军舰和坦克数量则位列全球第一。因此我国整个军事装备领域,从航空航天器到水面舰艇和水下潜艇,到陆地上的坦克火炮甚至士兵,都有隐身的需求,因此它的市场需求是十分庞大的。

4.超材料在我国海洋装备的应用

20191月份,光启发布《关于签订超材料舰艇隐身结构产品批产合同的公告》,合同金额2040万元。这是“光启技术签订的超材料舰艇隐身结构产品的首个批产合同,意味着光启技术具备新一代隐身技术的超材料尖端装备不仅在航空装备应用领域逐步实现批产,还在舰艇应用领域取得了突破性进展。”

这只是光启技术的超材料在我国尖端海洋装备国防领域的应用,在市场规模更为广大的海洋装备民用领域,光启技术也拉开了大规模应用的序幕。

201910月,由自然资源部、广东省政府主办,深圳市政府承办的中国唯一的海洋经济博览会上,光启展示一系列超材料海洋装备,主要包括四个系列,分别为——水下尖端装备蓝遁系列、水面尖端装备定方系列,舰载航空装备寄奴系列、远洋卫星通信苏武系列。

蓝遁系列属于水下装备,可在海洋环境中长期稳定工作并有效调制电磁波;定方系列则是水面舰艇上层建筑结构的超材料技术,实现了舰艇在复杂电磁环境中去遮挡干扰;寄奴系列是舰载航空装备的核心技术产品系列,为海洋蓝天提供了具备强大电磁功能的航空结构支撑;苏武系列远洋卫星通信天馈系统则比国际允许出售给中国的同类产品尺寸缩减50%,适用于不同类型的舰艇。


光启的超材料技术对我国的海洋尖端装备在电磁增强、电磁干扰、抗腐蚀、抗盐雾、抗强紫外线等方面的升级具有重要战略意义,尤其是以蓝遁为代表的系列海洋技术和产品摆脱了国外对一揽子技术的封锁。

据光启介绍,高尖端材料的售卖,通常是个性化定制的,不是货架产品,交易时间比较漫长,技术门槛也比较高,但是一旦进入装备的生命周期管道,通常来说也会比较稳定。这个生命周期管道分为研制、小批量试产、批量生产等环节。海博会展出的四大系列超材料,已经自2013年起陆续地在海洋设备上应用。这意味着光启技术涉足的装备领域,从漫长的研发投入开始进入回收周期。

据相关人士透露,定方、蓝遁系列产品已与中船重工旗下企业签订千万级大单。

201911月的深圳高交会上,光启首次呈现了超材料技术在先进飞机、大型无人机、水面舰艇、水下装备、海洋航空装备、电子通信系统、单兵AI装备、新型航空器等八大尖端装备领域的应用。

5.向市场开放制作超材料的基材----高性能电磁材料

前面说过,电磁超材料是目前超材料研究的主要方向,它将使人类继利用半导体自由调控电子传输之后,首次具备了自由调控电磁波的能力。这对未来的新一代通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。

但要获得极致功能的电磁超材料,首先需要稳定、高性能的电磁材料作为基材。就像再优秀的能工巧匠,也需要质坚纹美的材料,才能制作出上乘之作一样。

光启在超材料初步量产的时候,为了扩大产量,需要大量的满足要求的基材。为了寻找适合的基材,光启前后花了一年多时间在国内寻找不下十家供应商,其中不乏国内做电磁材料的龙头企业和科研所,但材料性能总是不达标,要么无法通过高温测试,要么介电损耗过高,要么产品孔隙率太多等。而高性能电磁材料,由于在国防尖端装备等涉及国家及公共安全的敏感行业有广泛应用,根据瓦森纳协议,发达国家对向中国出售此类材料有极其严苛的限制。

为突破这项国外封锁的技术,2016年元月1日,光启决定自己研发高性能电磁材料。经过团队前后历时近四年的奋斗,终于研发成功,并以战国时战神“白起”给予命名。


光启“白起”系列电磁材料经过国防产品的使用检测,具有极高的国防级稳定性,每一个指标都代表了该领域国际先进标准及性能。

“白起”电磁材料具有可调制性、稳定性好等优势,适用于产品的多元化设计,可满足对产品的高性能、多功能等一体化需求。光启机载超材料产品的设计师表示:“白起”电磁材料彻底解放了复杂超材料产品设计的边界,就好像给了画家一张无限大的画布可以随意施展,让最终产品的极端技术指标得以实现。

如今,该电磁材料已经实现批产,可应用于我国先进航空装备的通讯系统,国防尖端装备等领域的电子设计、吸波透波及反雷达等高性能需求产品上。据了解,应用了“白起”系列高性能电磁材料的我国某先进航空装备的超材料机载共形天线增益性能提升了近30%,产品尺寸缩减了40%、通信覆盖范围扩大了50%

为了更好的推动电子和通讯行业发展,光启在2019108日正式宣布向同行开放核心材料库。作为超材料的基础原材料,此前“白起”等系列高性能电磁材料只供光启使用,现对外开放,表明光启将为射频芯片、射频天线、高速电路、雷达阵列、5G通信等提供与之契合的高性能电磁基底材料,推动现代电子工业发展壮大。


随着5G时代的来临,对电子元器件尺寸要求更小、工作功率要求更大,由此带来严重的电磁干扰将影响设备和器件的工作稳定性,高性能电磁吸波屏蔽材料能够解决通讯行业和电子产品所面临的电磁兼容问题,如5G通讯基站、大型设备电机电箱等都会用到大量吸波屏蔽材料。未来五年5G基站总需求数将达到近800万个,仅以5G通讯基站来估算,预计投资额将达到1400亿元,将催生高性能电磁材料的旺盛需求。

此外,在汽车、消费电子、家电、机械、风电、医疗等多个领域,高性能电磁材料应用广阔,市场需求量巨大。据统计,截至2019年,全球电磁材料市场规模达到了400亿美元,预计到2022年,全球电磁材料市场规模将达到516亿美元。

随着光启电磁材料量产,产品价格将逐步降低,在军事和民用领域的巨大需求空间一定会得到释放。在该信息公布之日,光启技术的股价在7个交易日上涨将近50%,可见市场对它的期待之高。

对于超材料的未来发展空间,刘若鹏曾说:“超材料产业就像30年前的半导体产业。只需根据客户需求,逆向设计,从人造微结构中挑出几个或上千个,就可创造出一种实现超越电磁响应极限的功能材料,你可以想象这里面有多大的应用空间。”


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07月06日 16:03
来自电脑网页版
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