新技术前瞻专题系列(四)：超材料(Metamaterial)行业研究框架

业 究 研SECURITIES 东 兴 券 证超材料(Metamaterial)行业研究框架 股 有 份——新技术前瞻专题系列（四） 限公司 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：S1480518080001 证分析师刘航执业证书编号：S1480522060001 券研究报告 2024年10月28日 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？ 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。 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 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？ 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。 图3：超材料的超常特性之一：负折射概念图 资料来源：muRata东兴证券研究所 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。 图4：超材料的主要超常物理特性 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 0203 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 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 0104 资料来源：前瞻产业研究院，科学网，东兴证券研究所 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。 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。 图5：超材料的主要难点 模拟设计技术 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。 专用设计尚需完善 制备技术 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。 依赖于加工技术 工程可行性和服役性能 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。 减薄与轻量化 资料来源：《中国工程科学》(清华大学材料学院)，东兴证券研究所整理 Q3 超材料的应用领域有哪些，市场前景如何? 超材料透镜是一类典型的颠覆性技术，打破传统透镜受到衍射极限的约束限制。传统光学器件无法对尺度小于半个工作光波长的物体成像，其深层物理原因是常规介质中消逝波的衰减。超材料透镜会使电磁波中的消逝波成分被放大，其中所携带的信息就可以在负折射率介质材料中传播。由负折射材料制备的平板具有成像的功能，物体发射出的光线会经负折射率平板前后界面两次折射后重新汇聚在一起，进而实现无衍射极限的成像。 图6：超材料透镜原理示意图 图7：超材料透镜与传统透镜对比 资料来源：中国工程科学，东兴证券研究所 资料来源：AccSci，东兴证券研究所 超材料透镜在生物、材料、微电子学、光学工程领域都有急切的需求，还可应用到虚拟现实领域（VR眼镜）上。超透镜可以对病毒和DNA分子、细胞以及各种材料的显微结构等在自然环境中进行直接观察。同时，基于超材料的完美透镜可实现亚波长尺度的光刻，一旦实现将使微电子加工技术水平大幅度提高，从而进一步延续集成电路的摩尔定律。 图8：超材料透镜的特点 资料来源：《中国工程科学》(清华大学材料学院)，东兴证券研究所整理 超材料隐身斗篷技术已开始在军事装备中获得应用，超材料隐身技术得到了各国军工界的广泛重视。超材料通过控制电磁波的散射和反射， 使物体在雷达、红外线等探测手段下难以被发现。与传统隐身技术相比，超材料隐身的特点是靠导引电磁波，而不是靠吸收电磁波，因此没有目标影子，是国防军工领域的一项颠覆性技术。该技术也可应用于民用领域，如保护个人隐私等。 超材料可以用于制作高灵敏度的天线，实现更高效的信息传输。由于超材料对电磁波的高效调控，超材料天线可以用于检测微弱信号并增强天线的辐射效率。利用超材料超常的电磁性质和高度可设计的特点，人们成功实现了天线的小型化、高效、高增益、共型化、高信号选择性等优势。 图9：超材料隐身斗篷技术示意图（以水缸隐身块为例） 图10：通过对超声波透射性的控制扩大可检查部位 资料来源：中国科学院声学研究所，东兴证券研究所 资料来源：muRata，东兴证券研究所 由声学超材料制成的器件可作为吸音、隔音材料被应用于建筑工地或室内吸音板，实现降噪。还可以应用于医疗检查，为疾病的早期诊断提供更精确的依据。例如，通过应用超声波透射超材料能提高物质的超声波透射性，可以进行通常因超声波无法透过头骨而无法用于医学领域脑部检查的超声波回声检查。 超材料的高效光捕获能力为太阳能电池的发展注入了新活力。由超材料推动的一项重大进步是开发用于吸光技术的表面等离子体和等离子体光学天线。表面等离子激元具有在纳米尺度上引导、集中和散射光的能力，这让它成为增强太阳能电池光吸收的理想选择。 超材料在能源传输领域的应用也具有广阔前景。无线电力传输技术：在设备之间没有物理连接的电能传输。在发射器和接收器之间产生电磁场以传输电力，该技术用于无线充电器、生物医学植入物和电动汽车等设备。随着越来越多的设备走向无线化，并且超材料已经呈现出使这些系统更高效的希望，对更高效的无线电力传输（WPT）系统的需求不断增长。 图11：无线电能传输(WFT)系统示意图 图12：超材料在光伏领域应用优势 资料来源：AccSci，东兴证券研究所 资料来源：AccSci，东兴证券研究所 中国超材料市场规模快速发展，预计2029年规模达316.05亿元。鉴于中国在超材料研发领域的实力，产业链正在逐步完善的趋势以及在应 用领域的拓展方面还有较大发展空间的现状，2022年中国超材料市场规模总额达到132.67亿元，同比增长12.3%。中国超材料市场规模2018-2022年均复合增长率为24.18%，据智研瞻产业研究院预测，市场规模在2024-2029年均复合增长率为13.4%，中国市场对超材料的需求仍在快速增长。 全球超材料市场总量增长趋势迅猛，竞争格局为分散型。根据QYResearch（恒州博智）的统计及预测，2023年全球超材料市场销售额达到 了20.93亿美元，预计2030年将达到548.6亿美元,2024-2030年全球超材料市场销售额的CAGR为60.3%。全球超材料的核心厂商包括光启科技、EvolvTechnology、MetaShieldLLC.、PivotalCommware、Echodyne等，前5大厂商共占有全球市场15%的份额。全球超材料市场竞争日益激烈，主要厂商在技术研发、市场应用等方面展开竞争，这种竞争有望推动超材料技术不断进步和应用领域不断拓展。 图13：2018年-2022年中国超材料产业的市场规模 图14：2024年-2029年中国超材料产业的市场规模及同比增速预测 市场规模（亿元） 市场