“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、由国内学者著述的一套材料类科技著作。
“中国战略性新兴产业·前沿新材料”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》为《超材料》分册。超材料作为一类具有颠覆性的新概念材料,与之密切相关的一系列颠覆性技术将在我国制造业发展中发挥举足轻重的作用。
《超材料》围绕超材料这一颠覆性概念,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、信息、热学等超材料的设计、制备、性能特点、应用以及新研究进展,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。
《超材料》可供从事新材料研究的科研院所、高等院校、新材料产业界、政府相关部门、新材料中介咨询机构等领域的人员参考。
“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。
魏炳波,中国科学院院士,教授,工学博士,著名材料科学家。现任中国材料研究学会理事长,教育部科技委材料学部副主任,教育部物理学专业教学指导委员会副主任委员。入选首批国家“百千万人才工程”,首批教育部长江学者特聘教授,首批国家杰出青年科学基金获得者,国家基金委创新研究群体基金获得者。曾任国家自然科学基金委金属学科评委、国家“863”计划航天技术领域专家组成员、西北工业大学副校长等职。主要从事空间材料、液态金属深过冷和快速凝固等方面的研究。获1997年度国家技术发明奖二等奖,2004年度国家自然科学奖二等奖和省部级科技进步奖一等奖等。在国际国内知名学术刊物上发表论文120余篇。
韩雅芳,工学博士,研究员,著名材料科学家。现任国际材料研究学会联盟主席、中国材料研究学会执行秘书长、《自然科学进展:国际材料》(英文期刊)主编。曾任中国航发北京航空材料研究院副院长、科技委主任,中国材料研究学会副理事长和秘书长等职。主要从事航空发动机材料研究工作。获1978年全国科学大会奖、1999年度国家技术发明奖二等奖和多项部级科技进步奖等。在国际国内知名学术刊物上发表论文100余篇,主编公开发行的中、英文论文集20余卷,出版专著5部。
绪论
0.1 超材料概念
0.2 超材料分类及发展历程
0.2.1 超材料分类
0.2.2 超材料发展历程
0.3 超材料的地位和作用
0.4 本书内容特色和结构安排
0.4.1 本书内容特色
0.4.2 本书结构安排
第1章 电磁超材料的制备方法
1.1 微观尺度下超材料的制备方法
1.1.1 光刻类技术
1.1.2 印刷类技术
1.1.3 其他技术
1.2 宏观尺度下超材料的制备方法
参考文献
第2章 电磁超材料的设计、分类及性能
2.1 微波频段超材料
2.1.1 金属谐振结构超材料
2.1.2 随机微结构超材料
2.1.3 超复合材料
2.2 近红外及红外频段超材料
2.2.1 近红外及红外超材料吸波结构的特点
2.2.2 近红外及红外超材料吸波结构的研究现状
2.2.3 近红外及红外超材料的器件研发
2.3 光波段超材料
2.3.1 相关理论介绍
2.3.2 光学超材料基本物理特性
2.3.3 光学超材料的应用
2.3.4 异向介质领域的挑战与未来展望
参考文献
第3章 电磁超材料的典型应用
3.1 电磁吸波材料应用研究
3.1.1 电磁超介质吸波材料
3.1.2 可调谐型电磁超介质吸波材料
3.2 电磁超材料天线应用研究
3.2.1 单极子天线
3.2.2 超宽带天线
3.3 电磁超材料在隐身上的应用
3.3.1 超材料隐身衣
3.3.2 电磁隐身装置
3.4 电磁超材料在微波和光学器件上的应用
3.4.1 电磁超材料在微波器件上的应用
3.4.2 电磁超材料在光学器件上的应用
3.5 电磁超材料在其他领域的应用
3.5.1 超材料电磁关卡
3.5.2 共形表面等离激元
3.5.3 完美透镜
参考文献
第4章 声学超材料的设计及应用
4.1 声学超材料的设计
4.1.1 声学超材料的定义
4.1.2 声学超材料的设计原理及计算
4.2 声学超材料的制备及性能研究
4.2.1 五模材料声学隐身斗篷
4.2.2 超材料的声波负折射
4.2.3 超材料低频减振
4.3 声学超材料的应用前景
参考文献
第5章 力学超材料的设计及应用
5.1 力学超材料的定义及分类
5.1.1 静态弹性力学参数
5.1.2 力学超材料的分类
5.2 力学超材料类型及性能研究
5.2.1 负热膨胀
5.2.2 轻质超强度
5.2.3 可调节杨氏模量
5.2.4 负泊松比拉胀行为
5.2.5 剪切模量的消隐
5.2.6 力学不稳定模式的负压缩率
5.3 力学超材料的设计原理
5.3.1 均质材料设计准则
5.3.2 麦克斯韦标准和力学结构设计
5.3.3 拓扑结构优化设计
5.3.4 几何失措与材料失效形式
5.4 面向力学超材料的增材制备技术
5.4.1 三维打印增材制造技术
5.4.2 光敏树脂波导和数字光处理技术
5.4.3 双光子激光直写技术
5.4.4 其他激光直写技术
5.4.5 墨水直写技术
5.4.6 熔融静电纺丝技术
5.5 力学超材料回顾与展望
参考文献
……
第6章 信息超材料的设计及应用
第7章 热学超材料的设计及应用
第8章 超材料的发展预测及应对策略