趨勢研判！2025年中國超材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、發(fā)展歷程、市場規(guī)模及未來前景分析：超材料擁有巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，各國研究發(fā)展力度日益增強(qiáng)[圖]

內(nèi)容概要：超材料是一種由人工微結(jié)構(gòu)組成的特種復(fù)合材料，通過對材料關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。作為材料科學(xué)領(lǐng)域前沿方向之一，超材料在過去20年中經(jīng)歷了蓬勃發(fā)展。時至今日，超材料已擴(kuò)展到包括電磁學(xué)在內(nèi)，相關(guān)應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，覆蓋光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等多領(lǐng)域的一大類具有超常、高性能的人工材料系統(tǒng)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。鑒于我國在超材料研發(fā)領(lǐng)域的實(shí)力，產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步完善的趨勢以及在應(yīng)用領(lǐng)域的拓展方面還有較大發(fā)展空間的現(xiàn)狀，國內(nèi)超材料行業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢。數(shù)據(jù)顯示，我國超材料市場規(guī)模已從2018年的55.79億元增長至148.99億元。此外，根據(jù)市場發(fā)展預(yù)測，2029年國內(nèi)超材料市場規(guī)模有望突破至316.05億元。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)業(yè)鏈；發(fā)展歷程；政策；市場規(guī)模；發(fā)展前景；光啟技術(shù)

一、行業(yè)概況

超材料是一種由人工微結(jié)構(gòu)組成的特種復(fù)合材料，通過對材料關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。超材料的應(yīng)用與原有的材料制備有很大的區(qū)別，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是根據(jù)需求逆向設(shè)計。超材料的超常物理特性主要表現(xiàn)為負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)等。

根據(jù)設(shè)計原料的不同，超材料主要可分為電磁超材料、聲學(xué)超材料、熱超材料。通過電磁超材料來應(yīng)用和控制負(fù)折射率就能改變?nèi)祟惪吹轿矬w的方式，有望應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域。通過應(yīng)用電磁超材料，理論上可以制造出可以看到更小物體的特優(yōu)透鏡（理想透鏡）和光學(xué)迷彩（隱身衣）。熱超材料可以通過對陽光的反射或吸收來降低設(shè)備內(nèi)部的溫升，保護(hù)電子設(shè)備免受劇烈溫差的影響。聲學(xué)超材料除了作為輕量且有效的隔音材料外，還有望提高超聲波傳感器的設(shè)置和運(yùn)用方式以及醫(yī)學(xué)中超聲波檢查的靈活性。

與天然材料相比，超材料的優(yōu)勢是可以由人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)單元制造出來。天然材料來自自然，易于獲得卻難于設(shè)計。超材料正好相反，易于設(shè)計，但在很多情況下卻難于獲得。超材料通常由微米或納米級的人工結(jié)構(gòu)單元組成，這些單元按照特定的設(shè)計規(guī)則排列，賦予材料獨(dú)特的電磁、光學(xué)、聲學(xué)或力學(xué)特性。與傳統(tǒng)材料相比，超材料由人工設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)對光波、聲波或電磁波的操控，展現(xiàn)出如負(fù)折射、完美隱身、超分辨率等奇異現(xiàn)象。

超材料的特殊物理性質(zhì)是由人工結(jié)構(gòu)決定的，這些特性使超材料能突破一些表觀自然規(guī)律的限制。超材料可以通過控制電磁波（光、電波）和聲波等特定波長波的反射和透射，表現(xiàn)出與自然界中的物質(zhì)不同的行為。超材料中的左手材料同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。電磁波在該材料中傳播時的電場矢量、磁場矢量以及波矢量之間的關(guān)系將不再遵循經(jīng)典電磁學(xué)中的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“左手關(guān)系”，這是材料中電磁波的波動方向和能量傳播方向相反，并表現(xiàn)出一系列有違常理的特性，例如光的負(fù)折射、反常多普勒效應(yīng)、倏逝波放大、完美透鏡效應(yīng)，以及反常切連科夫輻射等。

超材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括由研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和科研院主要負(fù)責(zé)的超材料研發(fā)和設(shè)計環(huán)節(jié)，二氧化硅、金屬氧化物、石墨烯、鉍銻合金、碲化鉍、硒化鉍等超材料生產(chǎn)原材料供應(yīng)環(huán)節(jié)，以及熔融沉積成型設(shè)備、光固化成型設(shè)備、選擇性激光燒結(jié)設(shè)備、電子束熔化設(shè)備、MBE設(shè)備等各類材料加工生產(chǎn)設(shè)備。產(chǎn)業(yè)鏈中游主要包括超材料的生產(chǎn)與制造企業(yè)。這些企業(yè)通常具備先進(jìn)的制備和加工技術(shù)，能夠?qū)⒊牧系脑O(shè)計和研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，滿足市場需求。產(chǎn)業(yè)鏈下游主要是超材料的應(yīng)用和市場銷售環(huán)節(jié)。從應(yīng)用需求方看，超材料被應(yīng)用于光學(xué)、聲學(xué)、電磁等領(lǐng)域，可滿足不同行業(yè)的需求，目前已廣泛應(yīng)用于包括通信、傳感、能源等多個行業(yè)。

相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《中國超材料行業(yè)市場行情監(jiān)測及未來趨勢研判報告》

二、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

超材料最初被稱為左手材料（LHM）或負(fù)折射材料（NIM），是由前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家Veselago在1968年最先提出的。他從Maxwell方程出發(fā)，分析了電磁波在擁有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)材料中傳播的情況，對電磁波在其中傳輸時表現(xiàn)出的電磁特性進(jìn)行了闡述：電磁波在其中傳播時，相速和群速的方向相反，E、H、K三矢量之間呈現(xiàn)出左手螺旋法則，與電磁波在傳統(tǒng)材料中傳播的情況正好相反，他定義該種材料為LHM。當(dāng)時自然界觀察不到這種材料的存在，且存在不可利用性，Veslago所做的工作僅停留在理論假說上。

此后，隨著研究的逐漸深入，眾多突破性成果不斷涌現(xiàn)。1999年，英國帝國理工大學(xué)的John Pendry教授采用由2個開口的薄銅環(huán)內(nèi)外相套而成的微結(jié)構(gòu)胞元，設(shè)計出一種具有磁響應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)，即開口諧振環(huán)（SplitRing Resonator，SRR）結(jié)構(gòu)。2001年，美國加州大學(xué)的Shelby等人將銅線與開口銅環(huán)2種微結(jié)構(gòu)單元組合在一起，并通過結(jié)構(gòu)尺寸上的設(shè)計保證介電常數(shù)和磁導(dǎo)率出現(xiàn)負(fù)值的頻段相同，首次將介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時表現(xiàn)出負(fù)值的材料展現(xiàn)在人們面前，并在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表了驗(yàn)證左手材料存在的實(shí)驗(yàn)性文章。這種新型復(fù)合材料的人工實(shí)現(xiàn)，極大地豐富了微波、電路、光學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域，其表現(xiàn)出的新穎電磁響應(yīng)特性立刻成為國際物理學(xué)界和電磁學(xué)界研究的熱點(diǎn)。

在一、二維左手材料相繼實(shí)現(xiàn)后，Gay-Balmaz等人在SRR結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用具有平面各向同性的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計出的結(jié)構(gòu)，成功制備在2個方向上都可以表現(xiàn)出負(fù)磁導(dǎo)率的單負(fù)值超材料。Koschny等人采用具有各向同性左手材料結(jié)構(gòu)單元設(shè)計出的微結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功制備了實(shí)現(xiàn)各向同性的左手材料。

2003年，美國波音公司“幻影工作室”的C.Parazzoli與加拿大多倫多大學(xué)的2組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測到了負(fù)折射現(xiàn)象；2006年，John Pendry教授和美國杜克大學(xué)的Smith D R教授等人共同提出了超材料薄層能夠讓光線繞過物體從而使物體隱形的預(yù)測，并展示了隱形斗篷的雛形；2009年，我國東南大學(xué)崔鐵軍與美國杜克大學(xué)劉若鵬等人合作在“隱身衣”研究上實(shí)現(xiàn)新的突破，研制出微波段地面目標(biāo)的二維寬頻帶隱身衣；2010年，崔鐵軍研究組和一個德國－英國研究組相互獨(dú)立地在世界上首次研制出三維隱身衣原型；2011年2月，英國伯明翰大學(xué)及加州大學(xué)伯克利分校的張翔課題組成功實(shí)現(xiàn)了可見光波段中的隱身；2011年7月，美國哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程系副教授王琪薇等人研制出了一種新的光納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出零折射率“超材料”。

超材料技術(shù)突破性的進(jìn)展在科技界引起了廣泛關(guān)注，使其得到了美國、中國、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神、光啟技術(shù)、英特爾、AMD等軍工巨頭或科技龍頭公司的強(qiáng)力關(guān)注。2003年研發(fā)的“負(fù)折射率左手材料”與2006年研發(fā)的“超材料隱身斗篷”被《科學(xué)》雜志評為“世界十大科技突破”；2007年《Materials Today》評選超材料為材料科學(xué)領(lǐng)域在過去50年間的十大進(jìn)展之一；2010年《科學(xué)》雜志評選超材料為過去10年中人類最重大的十大科技突破之一。美國最大的6家半導(dǎo)體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。日本和俄羅斯將超材料技術(shù)列為下一代隱身裝備的核心關(guān)鍵技術(shù)。

我國也對超材料研究重視度較高，在國家政策層面，“十四五”以來，國家政府對超材料等新型前沿材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展表現(xiàn)出了極高重視，首先是在“十四五”發(fā)展綱要中重點(diǎn)提出，要聚焦新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，增強(qiáng)要素保障能力，培育壯大產(chǎn)業(yè)發(fā)展新動能；2023年8月，工業(yè)和信息化部、國務(wù)院國資委又將超材料列入《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》，要求各地工業(yè)和信息化主管部門將加大宣傳推廣和支持力度，引導(dǎo)各類市場主體結(jié)合實(shí)際積極開展技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)布局。因此，在中央政策指導(dǎo)支持下，近兩年來，各地政府對于超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)注度也在持續(xù)提升。例如，2024年9月，重慶市人民政府發(fā)布的《重慶市未來產(chǎn)業(yè)培育行動計劃（2024—2027年）》提出，發(fā)展力學(xué)/聲學(xué)/熱學(xué)超材料、電磁波和空間電磁信息調(diào)制超材料、金屬基/陶瓷基/碳基氣凝膠材料等；加大超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究力度，探索發(fā)展高溫/常溫超導(dǎo)材料。

在項(xiàng)目研究方面，我國的973計劃、863計劃、新材料重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目中均對超材料研究予以立項(xiàng)支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)介質(zhì)基超材料，以及聲波負(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面，已取得原創(chuàng)性成果。超材料研究在國內(nèi)非?；钴S，呈現(xiàn)出百花齊放的局面，所涵蓋領(lǐng)域包括電磁超材料、紅外/THz超材料、光學(xué)超材料、聲學(xué)超材料、力學(xué)超材料、光學(xué)超材料、熱學(xué)超材料等領(lǐng)域。

浙江大學(xué)在光波和超低頻超材料領(lǐng)域取得了一系列有影響的成果，發(fā)展出了基于慢波來設(shè)計超薄、寬吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隱身、磁共振成像和靜磁場增強(qiáng)方面的應(yīng)用；東南大學(xué)研究了均勻和非均勻超材料對電磁波的調(diào)控作用，提出了電磁黑洞和新型超材料隱身器件，發(fā)展出了雷達(dá)幻覺器件、遠(yuǎn)場超分辨率成像透鏡、新型天線罩、極化轉(zhuǎn)換器等新型超材料器件；清華大學(xué)研究介質(zhì)基和本征型超材料，提出了通過超材料與自然材料融合構(gòu)造新型功能材料思想，發(fā)展出了基于鐵磁共振、極性晶格共振、稀土離子電磁偶極躍遷以及Mie諧振的超常電磁介質(zhì)超材料；深圳光啟研究院則在國際上率先推進(jìn)了超材料產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)出超材料平板式衛(wèi)星天線，在22個省市進(jìn)行了測試，并在北京、天津等地得到了實(shí)際應(yīng)用。

作為材料科學(xué)領(lǐng)域前沿方向之一，超材料在過去20年中經(jīng)歷了蓬勃發(fā)展。時至今日，超材料已擴(kuò)展到包括電磁學(xué)在內(nèi)，相關(guān)應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，覆蓋光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等多領(lǐng)域的一大類具有超常、高性能的人工材料系統(tǒng)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。鑒于我國在超材料研發(fā)領(lǐng)域的實(shí)力，產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步完善的趨勢以及在應(yīng)用領(lǐng)域的拓展方面還有較大發(fā)展空間的現(xiàn)狀，國內(nèi)超材料行業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢。數(shù)據(jù)顯示，我國超材料市場規(guī)模已從2018年的55.79億元增長至148.99億元。此外，根據(jù)市場發(fā)展預(yù)測，2029年國內(nèi)超材料市場規(guī)模有望突破至316.05億元。

三、發(fā)展趨勢

超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現(xiàn)因技術(shù)的進(jìn)一步突破取得更多成果的領(lǐng)域。筆者認(rèn)為，超材料的研發(fā)要注重以下一些方向：

（1）對超材料的工作頻段和方向控制的研究：從工作頻段來說，超材料的頻段還只能達(dá)到紅外層次，同時大多數(shù)負(fù)折射率材料僅能在某些角度上實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。對于實(shí)現(xiàn)更好隱身功能需要來說，其工作波段最少應(yīng)覆蓋整個可見光波段，同時也需要實(shí)現(xiàn)具有各向同性的特性，即從更寬的光波波段和不同方向上實(shí)現(xiàn)對光的控制。這將是未來超材料發(fā)展的重要課題。

（2）超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展：超材料技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品中試階段，如果要進(jìn)行更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，還需要研究大規(guī)模制造大體積超材料的方法。目前實(shí)驗(yàn)室僅掌握在平面上的超材料的制造工藝，具有三維空間的立體超材料還未實(shí)現(xiàn)。同時表面工藝也僅僅局限在很小的面積上，這距大規(guī)模地使用還有很長的距離。如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地制造超材料是實(shí)現(xiàn)超材料廣泛使用的重要前提。

（3）不同超材料之間相互作用的研究：這一方向的研究主要包括對超材料進(jìn)場波與超材料自由空間電磁波的耦合研究，以及對超材料內(nèi)部的傳播性質(zhì)的研究。而對其規(guī)律性的研究又不斷提出新的理論、技術(shù)、方法的需求，從而推動與此相關(guān)的新理論概念、分析方法和實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)的發(fā)展。

以上數(shù)據(jù)及信息可參考智研咨詢（yhcgw.cn）發(fā)布的《中國超材料行業(yè)市場行情監(jiān)測及未來趨勢研判報告》。智研咨詢是中國領(lǐng)先產(chǎn)業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，提供深度產(chǎn)業(yè)研究報告、商業(yè)計劃書、可行性研究報告及定制服務(wù)等一站式產(chǎn)業(yè)咨詢服務(wù)。您可以關(guān)注【智研咨詢】公眾號，每天及時掌握更多行業(yè)動態(tài)。