美國雷神公司核心技術:超材料技術

2021-02-25 新材料社團

         美國雷神公司(Raytheon)曾在其主辦的技術期刊《今日技術》(Technology Today)上專題介紹了國防先進材料技術領域的研究成果,值得注意的是,該期封面大圖為技術人員展示一種基於超材料技術開發的可調式天線,據稱該技術可以在單個天線模塊材料上實現多種工作頻段按需配置、實時切換,從而使目前的武器裝備電子射頻系統帶寬與集成度得到大幅提升。

        雷神公司十分注重材料科學與技術方面的研究,他們把材料技術比作人類文明進步的標誌,因為重大的材料學發現能夠改變世界的發展。然而,如今的材料技術發展速度卻遠遠無法滿足工程師們對新材料的需求,《技術評論》雜誌的的Thomas Eagar指出,由於開發周期、研發成本等因素,一種新的材料從發現到商業化往往需要近20年以上的時間,為此,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)還設立了「加速材料應用」(Accelerated Insertion of Materials)專題研究項目。2011年6月,美國總統歐巴馬宣布啟動「材料基因組計劃「(Material Genome Initiative),用以幫助企業將新材料的研究、開發與商用周期縮短一半,使美國在材料技術領域保持全球領先的競爭優勢,並確保先進材料技術優先應用於美國的戰略需求。

        目前,藉助於先進的「計算機輔助材料設計技術」(CME)與原子級材料實驗能力,雷神公司可以源源不斷地創造出具備非常規特性的材料,如用於下一代戰機的高強度(可達10-150吉帕)碳基材料(碳納米管與石墨烯),用於第三代紅外成像器件的「碲鋅鎘」(CdZnTe)基板以及令人振奮的新形態人工結構材料「超材料」(Metamaterial)。

       超材料通過複雜的人工微結構設計,實現人造「原子」及其排列(周期的或非周期的)對電磁波和光波的特定響應,是一種材料「自頂向下」設計技術,也是近十年來材料學領域的熱門研究方向。雷神公司認為,超材料技術的成功應用需要從系統級需求出發進行建模、設計與製造。

       由於長期專注於軍用電磁技術研究與防禦系統開發,雷神公司對超材料技術也非常關注,目前已開展深入的應用研究,並與學術界和工業界積極開展超材料技術領域的合作。相關的研究項目包括:

1. 與大學合作開發的「透波率可控人工複合蒙皮材料」。這種材料採用嵌入了可變電容的金屬微結構頻率選擇表面(FSS),通過控制加載在可變電容上的偏置電壓,可以改變頻率選擇表面的電磁參數,從而實現材料透波特性的人工控制,可應用於各種先進雷達系統和下一代隱身戰機的智能隱身蒙皮。

2. 與大學合作開發的超材料雙頻段小型化GPS天線。通過精確的人工微結構設計,提升天線單元間的隔離度,減少天線原件之間的電磁耦合,從而使天線的帶寬得到大幅拓展。可應用於對天線尺寸要求苛刻的飛機平臺與個人可攜式戰術導航終端。

3. 與大學合作開發的碳化矽基光學超材料微透鏡。通過改進微納加工技術,可以在碳化矽晶片上精確地雕刻出所需的超材料孔徑(微結構),使光學超材料器件的重量和精度大幅提升,實現在100微米大的透鏡上得到100微米焦距的良好聚焦效果。

        除此之外,雷神公司也是美國國家科學基金會(NSF)發起成立的「工業-大學聯合研究中心」(I/UCRC)的成員,並在各軍方客戶(如DARPA、海軍科研辦公室、空軍科研辦公室)的支持下,與一些大學等研究機構聯合開展了一系列超材料技術武器裝備應用的前沿研究。

背景資料:

        雷神公司是美國最大的幾家國防廠商之一,在先進雷達、電子戰、飛彈防禦系統等產品的研發和製造方面處於世界領先地位,著名產品包括:美國國家飛彈防禦系統中的X波段雷達(XBR),美軍下一代機載幹擾機(NGJ),美國陸軍MIM-104「愛國者」防空飛彈系統,美國海軍「標準」系列防空飛彈,美軍AIM-120先進中距空空飛彈和AIM-9近距空空飛彈等。

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