新技术前瞻专题系列（四）：超材料（Metamaterial）行业研究框架

DONGXING SECURITIES行业研究东兴证券股份有限公司证券研究报告超材料(Metamaterial)行业研究框架——新技术前瞻专题系列（四）分析师刘航执业证书编号：S1480522060001研究助理李科融执业证书编号：S1480124050020分析师刘蒙执业证书编号：S1480522090001分析师张永嘉执业证书编号：S1480523070001分析师石伟晶执业证书编号：S14805180800012024年10月28日摘要语言学习平台Q1:超材料是什么？超材料是指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。超材料具备超常的电磁、声、热、力等功能，能实现自然材料无法实现或很难实现的特殊物理特性。典型的超材料有左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等。Q2：超材料与天然材料相比有哪些优势? 和天然材料相比，超材料具备如下优势：（1）可设计性，超材料通过人工设计和制造，使微米或纳米级的结构单元按照特定的设计规则排列 ；（2）非天然材料所有的超常态物理性能。Q3：超材料的应用领域有哪些，市场前景如何？超材料在隐身伪装、导航通讯、成像识别、医疗、能源等领域具有巨大的应用潜力。2010-2020年，全球超材料市场保持快速增长态势，发展到2020年，市场规模已达到15.4亿美元。得益于应用领域扩展、市场需求升级，超材料市场将保持快速增长趋势。Q4：超材料技术对于各大科技强国和行业巨头的重要性如何? 超材料技术是国际上应用于现代高端军事装备领域最热门的新兴技术之一，美国国防部把其列为“六大颠覆性基础研究领域”之首，并专门启动了超材料研究计划，英特尔、AMD和IBM等6家公司为此成立了联合基金。日本和俄罗斯将超材料技术列为下一代隐身装备的核心关键技术。我国也对超材料研究重视度较高，973计划、863计划、新材料重大专项、国家自然科学基金等项目中均对超材料研究予以立项支持。Q5:超材料技术的发展会使哪些上下游产业受益？制造超材料的的原材料主要有石墨烯、玻璃纤维等，相关原材料行业市场需求总量有望提升。超材料技术下游产业主要有军工、通信、能源产业，超材料技术成果在军工领域的应用较早，在其他下游产业的商业化水平低，应用较少，随着技术的进一步成熟和市场需求的增加，超材料的商业应用领域有望继续扩大。投资建议：超材料技术应用领域广泛，市场前景广阔。全球科技强国及行业巨头争相布局。受益于技术发展，上下游产业链有望迎来加速成长，受益标的：光启技术等。风险提示：技术导入不及预期风险、客户需求不及预期风险、贸易摩擦加剧风险等。Q1超材料是什么？1.超材料是通过人工设计和制造，具有超常物理性质的材料语言学习平台超材料是一种由人工微结构组成的特种复合材料，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。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，而超材料完全是根据需求逆向设计。超材料的超常物理特性主要表现为负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应等。超材料根据设计原理主要分为电磁超材料、声学超材料、热超材料。通过电磁超材料来应用和控制负折射率就能改变人类看到物体的方式，有望应用于光学领域。通过应用电磁超材料，理论上可以制造出可以看到更小物体的特优透镜（理想透镜）和光学迷彩（隐形衣）。热超材料可以通过对阳光的反射或吸收来降低设备内部的温升，保护电子设备免受剧烈温差的影响。声学超材料除了作为轻量且有效的隔音材料外，还有望提高超声波传感器的设置和运用方法以及医学中超声波检查的灵活性。资料来源：muRata，东兴证券研究所图1:超材料的分类、功能及应用前景图2:使用电磁超材料控制光折射率的示意图资料来源：muRata，东兴证券研究所Q2超材料与天然材料相比有哪些优势？2.超材料的人工可设计性使其突破自然限制，获得天然材料不具备的性质语言学习平台与天然材料相比，超材料的优势是可以由人工设计的结构单元制造出来。天然材料来自自然，易于获得却难于设计。超材料正好相反，易于设计，但在很多情况下却难于获得。超材料通常由微米或纳米级的人工结构单元组成，这些单元按照特定的设计规则排列，赋予材料独特的电磁、光学、声学或力学特性。与传统材料相比，超材料由人工设计，从而实现对光波、声波或电磁波的操控，展现出如负折射、完美隐身、超分辨率成像等奇异现象。超材料的特殊物理性质是由人工结构决定的，这些特性使超材料能突破一些表观自然规律的限制。超材料可以通过控制电磁波（光、电波）和声波等特定波长波的反射和透射，表现出与自然界中的物质不同的行为。超材料中的左手材料同时具有负介电常数和负磁导率。电磁波在该材料中传播时的电场矢量、磁场矢量以及波矢量之间的关系将不再遵循经典电磁学中的“右手定则”，而呈现出与之相反的“左手关系”，这时材料中电磁波的波动方向和能量传播方向相反，并表现出一系列有违常理的特性，例如光的负折射、反常多普勒效应、倏逝波放大、完美透镜效应，以及反常切连科夫辐射等。资料来源：muRata 东兴证券研究所图3：超材料的超常特性之一：负折射概念图2. 超材料的超常物理特性语言学习平台超材料的超常物理特性主要有：负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应、完美透镜效应等。这些奇异特性不主要取决于构成材料的本征属性，而是由超材料单元结构的图案形状、尺寸、排列方式以及介质层的电磁参数等因素决定。资料来源：前瞻产业研究院，科学网，东兴证券研究所图4：超材料的主要超常物理特性01020304负折射率光波或电磁波在通过超材料时，其相位和群速度方向相反，自然界的材料不具备这种性质逆多普勒效应观察者离波源（包括声源、光源）越近，频率减少或不变完美透镜效应某些超材料能够恢复出经过物体散射后的消散波，从而突破传统透镜的衍射极限，实现超分辨率成像逆Cerenkov辐射效应带电粒子在介质中运动时，介质中产生诱导电流，由这些诱导电流激发次波，当带电粒子的速度超过介质中的光速时，这些次波与原来的电磁场互相干涉，可以形成辐射电磁波。这种辐射称为Cerenkov辐射。在右手材料中电磁波激发的辐射以锐角向前散射，而在左手材料中，电磁波的辐射方向发生了改变。在左手材料中则以钝角向后散射。2.超材料技术难点作为一大类全新的材料系统，从超材料的研发到产生颠覆性技术需克服一系列技术障碍。根据装备对电磁调制的不同需求，通过反向设计和特殊工艺实现材料的微结构，就可使该材料在保持承载功能的同时还具备装备所需的电磁调制功能。模拟设计技术专用设计尚需完善目前超材料的研究以原理性探索为主，模拟仿真技术基于简单模型和通用的模拟软件，而实际应用的器件设计需要考虑多种服役因素、多场耦合和海量计算。制备技术依赖于加工技术超材料制备需要精密的材料加工，特别是一些电磁超材料（如太赫兹以上频率的电磁超材料）的制备依赖于相关加工技术的进步。工程可行性和服役性能减薄与轻量化超材料由大量的人工结构单元构成，这种单元阵列的可工程化及其服役性能是其应用的难点，利用电磁斗篷实现军事目标的完美隐身需要在其外面包覆较厚的超材料“铠甲”，如何将其减薄是一个重要难题。图5：超材料的主要难点资料来源：《中国工程科学》(清华大学