中国战略性新兴产业-前沿新材料:超材料

     本书展示超材料领域*研究成果以及未来发展趋势预测且参与本书编著的作者在业界极具权威，都是居于超材料研究前沿的国内一流科研人员。

本书为“中国战略性新兴产业——前沿性新材料”丛书中《超材料》分册。 超材料作为一类颠覆性的新材料，将在下一阶段的我国制造业发展中发挥举足轻重的作用?本书围绕超材料这一颠覆性技术，从电磁超材料和非电磁超材料的角度，系统性论述电磁、声学、力学等超材料的设计、制备、性能特点、应用，以及*研究进展，并对未来超材料行业的发展方向进行指南性解读和趋势预测? 

本丛书对从事新材料研究和产业化的科研人员、高校师生、企业家、职能决策部门、中介咨询机构都具有极高的理论价值和实际意义。 

     中国材料研究学会( C- MRS )是中国从事材料科学技术研究和产业的科技工作者和单位，自愿结合并依法成立的全国性、非营利性法人社会团体，是中国科协的组成部分，挂靠在中国科学院，是国际材料研究学会联合会 ( International Union of Materials Research Society，简称IUMRS ) 的发起单位之一，并代表国家身份作为该会的成员。宗旨是团结和组织中国广大材料科技工作者，遵守宪法、法律 、法规和国家政策，遵守社会道德风尚，贯彻”科教兴国”方针，自主活动，自我发展，紧紧围绕国家经济建设和社会发展目标，瞄准世界材料科学前沿，开展国内外学术交流，促进各类先进材料的研究与发展，努力推动新材料、新工艺及新技术在产业中的实际应用，为繁荣和发展材料科技事业、为国家的经济建设做贡献。学会现有分支机构14个，团体会员162个(拥有上万的材料科技工作者)。

绪论1
0.1超材料概念1
0.2超材料分类及发展历程2
0.2.1超材料分类2
0.2.2超材料发展历程3
0.3超材料的地位和作用4
0.4本书内容特色和结构安排5
0.4.1本书内容特色5
0.4.2本书结构安排6
第1章电磁超材料的制备方法7
1.1微观尺度下超材料的制备方法7
1.1.1光刻类技术9
1.1.2印刷类技术12
1.1.3其他技术14
1.2宏观尺度下超材料的制备方法15
参考文献16
第2章电磁超材料的设计、分类及性能20
2.1微波频段超材料20
2.1.1金属谐振结构超材料20
2.1.2随机微结构超材料26
2.1.3超复合材料44
2.2近红外及红外频段超材料53
2.2.1近红外及红外超材料吸波结构的特点53
2.2.2近红外及红外超材料吸波结构的研究现状54
2.2.3近红外及红外超材料的器件研发60
2.3光波段超材料64
2.3.1相关理论介绍64
2.3.2光学超材料基本物理特性66
2.3.3光学超材料的应用74
2.3.4异向介质领域的挑战与未来展望82
参考文献84
超材料目录ⅹⅲ第3章电磁超材料的典型应用100
3.1电磁吸波材料应用研究100
3.1.1电磁超介质吸波材料100
3.1.2可调谐型电磁超介质吸波材料102
3.2电磁超材料天线应用研究102
3.2.1单极子天线102
3.2.2超宽带天线103
3.3电磁超材料在隐身上的应用105
3.3.1超材料隐身衣105
3.3.2电磁隐身装置107
3.4电磁超材料在微波和光学器件上的应用107
3.4.1电磁超材料在微波器件上的应用107
3.4.2电磁超材料在光学器件上的应用109
3.5电磁超材料在其他领域的应用110
3.5.1超材料电磁关卡110
3.5.2共形表面等离激元111
3.5.3完美透镜112
参考文献113
第4章声学超材料的设计及应用121
4.1声学超材料的设计121
4.1.1声学超材料的定义121
4.1.2声学超材料的设计原理及计算122
4.2声学超材料的制备及性能研究127
4.2.1五模材料声学隐身斗篷127
4.2.2超材料的声波负折射129
4.2.3超材料低频减振132
4.3声学超材料的应用前景133
参考文献135
第5章力学超材料的设计及应用138
5.1力学超材料的定义及分类138
5.1.1静态弹性力学参数138
5.1.2力学超材料的分类139
5.2力学超材料类型及性能研究140
5.2.1负热膨胀140
5.2.2轻质超强度142
5.2.3可调节杨氏模量146
5.2.4负泊松比拉胀行为147
5.2.5剪切模量的消隐150
5.2.6力学不稳定模式的负压缩率151
5.3力学超材料的设计原理153
5.3.1均质材料设计准则153
5.3.2麦克斯韦标准和力学结构设计155
5.3.3拓扑结构优化设计155
5.3.4几何失措与材料失效形式156
5.4面向力学超材料的增材制备技术157
5.4.1三维打印增材制造技术158
5.4.2光敏树脂波导和数字光处理技术158
5.4.3双光子激光直写技术159
5.4.4其他激光直写技术159
5.4.5墨水直写技术160
5.4.6熔融静电纺丝技术160
5.5力学超材料回顾与展望161
参考文献162
第6章信息超材料的设计及应用168
6.1信息超材料的概念168
6.2信息超材料设计原理171
6.2.1编码超材料的远场方向图计算算法171
6.2.2各向异性编码超材料与全各向异性编码超材料173
6.2.3频率编码超材料174
6.2.4编码超材料中的数字卷积定理及其应用174
6.2.5编码超材料中的加法定则177
6.2.6编码超材料与信息熵178
6.3信息超材料的制备及性能研究179
6.3.1太赫兹编码超材料制备工艺179
6.3.2微波频段可编程超材料的加工方案180
6.3.3声波编码超材料与机械波可编程超材料181
6.3.4可编程超材料关键技术及待解决的问题183
6.4信息超材料的应用前景183
6.4.1基于编码超材料的低散射高增益法布里珀罗谐振腔天线183
6.4.2基于GRS多项式的编码超材料最优化漫反射184
6.4.3基于编码超材料的单天线成像系统185
6.4.4基于编码超材料的全息成像系统186
6.5信息超材料发展趋势187
6.5.1发展回顾187
6.5.2发展趋势188
参考文献189
ⅹⅳ超材料目录ⅹⅴ第7章热学超材料的设计及应用192
7.1热学超材料概述192
7.2变换热学设计理论193
7.2.1热隐身斗篷193
7.2.2热聚集器196
7.2.3双功能197
7.2.4热旋转器199
7.2.5热隐身斗篷、热聚集器与热旋转器的应用199
7.2.6宏观热二极管200
7.3拉普拉斯方程 201
7.3.1双壳层热隐身斗篷201
7.3.2热伪装202
7.3.3热透明203
7.4声子能带结构调制204
7.4.1热晶体204
7.4.2杂化带隙206
7.5相变理论 207
7.5.1温度捕获207
7.5.2热网络与二极管209
7.6变换热对流理论209
7.6.1对流热隐身斗篷与旋转器211
7.6.2对流热伪装213
7.7热辐射理论213
7.7.1基于热光子法的辐射制冷213
7.7.2基于高分子光子法的辐射制冷216
7.7.3辐射伪装216
7.7.4变换热辐射及其扩展理论216
7.8热学超材料回顾与展望217
参考文献218
第8章超材料的发展预测及应对策略226
8.1超材料行业发展现状及趋势226
8.1.1各国超材料行业发展情况226
8.1.2我国超材料行业发展情况227
8.1.3未来超材料的发展趋势228
8.2超材料对我国各行业的影响230
8.2.1超材料对制造业的影响230
8.2.2超材料对民生的影响232
8.2.3超材料对国防的影响232
8.3发展超材料行业的应对策略233
8.3.1开展战略研究233
8.3.2国家政策鼓励234
8.3.3加强国内外合作234
8.3.4重视培养创新精神234

“中国战略性新兴产业——前沿新材料”丛书是中国材料研究学会组织、由国内一流学者著述的一套材料类科技著作。丛书突出颠覆性、前瞻性、前沿性特点，涵盖了超材料、气凝胶、离子液体、多孔金属等10多种重点发展的前沿新材料。
超材料是一类具有人工结构的新概念材料，具有自然界中天然材料不具备的奇特性质，也是科技新时代背景下学科深度融合实现优异性能的方法。作为21世纪最重要的科学成果之一，超材料概念的提出对物理、材料、光学、声学等学科产生了颠覆性的影响。科学界报道的超材料领域的成果，如负折射率、100%吸波效应、负刚度等神奇的科学现象也对传统学科理论造成了一次次冲击。超材料不可思议的物理、化学性质，一方面击破了来自各方的质疑和挑战，科学严谨地构建出了一套完整的超材料概念、设计、制备、表征、应用的框架；另一方面极大地丰富了超材料的科学内涵，使得超材料向着多元化、智能化、绿色化的方向发展。短短的十几年时间，超材料的概念已经逐渐渗透材料学、磁学、力学、热学等学科中，2010年被《科学》（Science）杂志评为21世纪影响人类的十大科技突破之一，并且在生物医学、影像学、无线电通信等行业中占据了一席之地，在高精度成像、电磁隐身衣、高灵敏度传感器等方面有着重要应用价值。
新材料作为十大国家战略支持的发展方向之一,其重要性不言而喻。超材料作为一类颠覆性的新材料，将在下一阶段的我国制造业发展中发挥举足轻重的作用。本书围绕超材料这一颠覆性技术，论述超材料的基本概念、发展历史和科学内涵。具体来说，从电磁超材料和非电磁超材料两个角度出发，系统性地论述电磁超材料、声学超材料、力学超材料、信息超材料、热学超材料的设计、制备、性能特点和应用等方面的研究进展，并对未来超材料行业的发展方向进行指南性解读和趋势预测。
本书由原英国布里斯托大学教授、浙江大学求是讲席教授彭华新，中国工程院院士、清华大学教授周济，中国科学院院士、东南大学教授崔铁军等学者编著。参与本书编著的作者都是居于超材料研究前沿的国内一流科研人员。各章编著者如下：
绪论由浙江大学彭华新教授、罗阳博士和清华大学周济院士编著；第1章由浙江大学罗阳博士、陈红胜教授，杭州电子科技大学彭亮教授，吉林大学徐速副教授编著；第2章2.1节由上海海事大学范润华教授、浙江大学彭华新教授和罗阳博士编著，2.2节由浙江大学罗阳博士、秦发祥研究员编著，2.3节由浙江大学陈红胜教授、吉林大学徐速副教授和杭州电子科技大学彭亮教授编著；第3章由浙江大学罗阳博士、秦发祥研究员、彭华新教授编著；第4章由北京理工大学周萧明博士、朱睿教授和胡更开教授编著；第5章由清华大学于相龙副研究员和清华大学周济院士编著；第6章由深圳大学刘硕博士、北京大学李廉林研究员和东南大学崔铁军院士编著；第7章由复旦大学戴高乐、王骏、杨福宝、田博衍、张泽人和黄吉平授授编著；第8章由浙江大学罗阳博士、秦发祥研究员和彭华新教授编著。全书由彭华新教授、周济院士、崔铁军院士规划和制订提纲，由彭华新教授、罗阳博士、秦发祥研究员统稿和定稿。
本书的编著过程，正值中国超材料研究的蓬勃发展时期，见证了中国材料研究学会超材料分会的成立，这在中国乃至世界超材料领域具有里程碑的意义。编著人员为超材料分会主要领导、常务理事、理事，他们代表了我国超材料研究的最高水平。周济院士为超材料学会理事会理事长，崔铁军院士、彭华新教授、范润华教授为副理事长，此外，编著者中还有多位理事会常务理事和理事。
本书编著得到了浙江大学材料科学与工程学院功能复合材料与结构研究所的大力支持，特此表示衷心感谢。在编著过程中编著者参考了大量文献资料，也受益于由南京大学光声超构材料研究院卢明辉教授和陈延峰教授发起的“两江科技评论”定期发布的有关超材料最新动态与资讯。在此对被引用的参考文献的作者表示衷心感谢。
限于时间、精力、水平等原因，疏漏之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。