NIM(负折射率材料)专题研究

NIM （负折射率材料）专题研究

严 杰

一、有关折射的基本概念

1、基本定义与关系式

电磁学的早期即由实验发现了以下规律：各向同性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，故有 E ε=D ，式中ε是比例系数，称为介电率或介电常数．另外，实验还证明，对各向同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向一致，大小成正比，故有H B μ=，式中μ比例系数称为导磁率．ε和μ被看成表征物质电磁性质的宏观参数．

在自由空间(无电荷源及传导电流)，由麦克斯韦方程组导出的电磁波波方程为

由此得无色散电磁波传播速度r

r c

v μεεμ

=

=

1

式中，0/εεε=r 是相对介电常数；

,/0μμμ=r 是相对磁导率00με，则为ε，μ在真空中的值；

而c 为自由空间(真空中)光速，0

01

με=

c 。实际上，按照麦克斯韦场理论，电磁作用过程是经过场(波)而完成的，在真

空条件下，这个作用传递的速度就是c ．可见，麦克斯韦由于提出电磁场方程组而被后人认

为是伟大的科学家这点没错；但由于时代的局限(经典场论产生于距今136年前)，他的理论不可能解释近年来以量子力学、量子光学为基础而完成的超光速、超慢光速实验．

2、折射 折射是自然界最基本的电磁现象之一。当电磁波以任意角度入射到两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。那么，介质的折射率是如何定义的？

图一表示介质1中的入射波在介质2中折射，虚线AC ，BE 为波前，由于

,

sin ,sin 2211t v CB CE t v CB AB ====θθ故有

此式即为Snell 定律，由它可以计算折射波前进的方向，式中1v ，2v 均为相速。

,02

2

2

2

2

2

=??-?=??-?t

H H t

E E εμ

εμ

1

2

11222121sin sin n n v v ===μεμεθθ

这个比值被称为折射率，用n 表示，1

122μεμε=

n ，如0101,μμεε==，（介质1为真

空），μμεε==22,，，则有r r v

c n με=

=

。在上述推导中折射率不是以2n 形态出现的，

即使.0,0,0><

射现象：光在空气—晶体的界面进入晶体发生折射时、折射光不是偏向于界面的法线方向。而是偏向于界面方向。也就是说。在光的频率范围内，光子晶体的折射率小于1。有实验表明，光子晶体中的折射光甚至可以与入射光位于界面法线方向的同一侧。因而出现负折射。

3、电介质理论

1837年，法拉第最先提出电介质在电场中极化的概念．1850年，0．F ．Mosotti 提出了电介质极化理论方程：

03

42

1a N M A r r πρ

εε=

?

+- , 式中M 是分子量，ρ是电介质密度，0

a 是空气分子平均极化率，A N 是阿伏伽德罗常数．由于R ．Clausius 也曾导出此式，上式称为Clausius-Mosotti 方程．它的适用范围是：非极性分子、低密度介质．推导时用许多导体圆球代表分子．

1880年，H ．A ．Lorenntz 和L ．V ．Lorenz 用光学方法导出了一个包含折射率的公式，称为Lorentz-Lorenz 方程．022

3421a N M n n A πρ

=?+- 对比上式，r n ε=2

， 其应用范围仍

为非极性分子

对于极性分子的介质，1912年，德拜给出

]3[3

42

12

0kT

u

a N M A r r +

=?

+-πρεε，式中u 为电

偶极矩，k 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度．上式说明，静电场中总极化由诱导(变形)极化和取向极化两种作用组成．如分子u=0，德拜方程简化为Clausius-Mosotti 方程．但如外场为交

变电场，要考虑极性分子的弛豫时间τ的影响，这时该式改为 ]113[3

42

12

0ωτ

πρεεj kT

u

a N M A r r +?

+

=?

+- 可见，弛豫时间的影响是由取向极化率的改变

而实现的．

因此，对极性分子介质而言，只有r εωτ,1<< (以及n)才与频率无关，r n ε=2

才成

立．总的讲，当频率f<100GHz 时，τ的影响可不考虑，式r n ε=2

保持正确．这就不难理解．近

年来的负折射率研究是在微波段(10GHz 以下)取得成功的原因．

二、负折射率

1、 负折射的理论解释 早在1968年，前苏联物理学家V ．G ．Veselago 就提出过左手化媒质(1eft handed medium ，LHM)的物理思想，该理论认为微波穿过LHM 时将射向与Snell 定律不同的方向，即发生了微波异常传播的现象。所谓微波异常传播(anomalous microwave propagation)的概念是美国Wisconsin 州Marguetle 大学的G ．C ．Giakos 和T ．K ，ishij 于1991年提出的，内容是说测量了微波脉冲在自由空间和波导中的传播，发现有现象与传统理论不相符——认为与脉冲前沿相关的部分能量以相速(光速或超光速)传播，而传统上认为的“信号以群速传播”在实验中却观测不到．论文发表后，国外有人发表不同意见，但是，“微波异常传播”一词却流传下来，用以描写实验中发现的一些反常现象。2001年4月6日，美国著名刊物《Science 》发表了题为“负折射率的实验证明”的论文．虽然此前已有报道，但由著名的科学刊物正式发表关于负折射率的文章尚属首次．我们知道，自然界的一切物质的折射率均为正值(n>0)，从来不曾在已知材料中观察到负折射率(n<0)，因此美国科学家的新研究成果在学术界和新闻界都颇为轰动．实验是在微波段(而非光频段)完成的，结果完全符合2000年初的预言：微波波束从样品中出来后，其方向与传统的Snell 定律的叙述不同．

为什么会产生这种现象呢？因为在一般条件下有r r n με=2。故有r r n με±=，这里的负号不能随便丢掉．在某种材料同时具有r ε<0，r μ<0时，上式右端可能应取负值．接近透明媒质的折射率函数n(w)的实部通常是正值．D ．R ．Smith 和N ．Kroll 分析了电流源向一维左手化媒质(LHM)辐射的情况(该媒质的介电常数和导磁率均为负)，对n(w)函数的深入分析，证明在某个频区Re[n(w)]实际上必须为负值．

虽然自然界所有已知的材料是呈现正折射率，具有负折射率的材料在理论上却有可能，并不违反任何物理定律．前者称为右手化媒质(right handed medium ，RHM)；后者称为左手化媒质(left hannded medium ，LHM)．LHM 的电磁特性与常见的RHM 相反．

1968年，V ．G ．Veselago 断言，平面电磁波在一个同时具有负介电常数和负导磁率的媒质中传播时其方向将与能流方向相反．这结果不是从波方程得到的，因为在无源情况下该方程保持不变；而是从单独的麦克斯韦旋度方程得出的．电场旋度方程为电场矢量E 、磁感应强度B 和波矢k 三者的方向提供了明确的右手(RH)规则．然而，能流方向由(E ?H)提供，仅在导磁率0>μ时才形成右手系统．当0<μ，波传播方向将反转，与能流方向相反，这时E ，H ，k 三者形成左手系统关系，Veselago 称这种材料为左手化媒质(LHM)．我们注意到，讨论这个问题必须涉及矢量B ，而LHM 的形成并不需要介电常数ε<0的条件．

从表面上看，由于存在着关系式r r n με±=，如r r με均为负，但二者相乘后仍为正，并不存在负折射率的问题．但是，正如我们在前面指出的，确切的表述是r r n με±=，；因此，美国圣迭戈加州大学(UCSD)研究组的科学家认为，当r ε<0，r μ<0同时发生时，取r r n με-=才更合理．他们的根据是，实验已证明，LHM 确实呈现负折射率的性质。

2、负折射率的实验证明：

在科学研究中，当理论上：出现模糊时，只有用可靠的实验才能使事情趋于明朗，问题得到解决．UCSD的实验是在微波段进行的．他们所用的受试物并不是一种材料，而是一

个经仔细设计的独特的系统．具体讲，

用一个二维线阵产生负介电常数(ε

＜0，用另一个SRR产生负导磁率

(μ<0)；二者组合为一个相当于棱镜

的体系．所谓SRR是有缝的环状谐振

器(split ring resonator)，两环之间的电

容与自感形成谐振回路，可发生谐振。

多个SRR组成周期阵列并互相耦合，

可以造成μ由正变负的效果(见左

图)．用微波波束进行照射，测量其散

射角(θ)和有效折射率(

n)．

eff

右图是测量装置，被测样品(棱镜)置于

两块圆形铝板(直径30cM)之间，板距

1．2cm．粗黑箭头表示来波方向和折

射(按n>0)方向，检测器是用x频段波导

连接的微波功率测量装置，实际上是

用波导——同轴转换器及HP8756A型

标量网络分析仪．微波波束从棱镜射

出时，表面为折射界面(按Snell定律规

定的角度方向)．现在把检测器安装在

可旋转的架子上(1．5°步进)，这时试

验人员就可以对RHM，LHM分别测量

其接收电平与角度(θ)的关系，并作比较．下图左是取频率f=10．5GHz时接收电平与折射角的关系，为了方便，把两种样品的峰值电平都归一化为1。结果是，对于常规树料(RHM)的Teflon，峰值发生在27°处，对应n＝1．4±0．1;对于LHM系统，峰值发生在-61°处，对应n ＝－2．7 ±0．1．可见，在LHM情况下、折射角与BHM相差88° (接近π／2即90度)．故在一定频率(满足LHM要求的频率)下，折射角按与Snell定律指示的不同方向偏转，呈现n<0。下图右是折射率与频率的关系(蓝实线为Tenflon，黑实线为LHM)．当f＝10．2—10，8GHz 时，LHM处在负折射率频区，且高度色散性．总之，Veselago在32年前的预测得到了证明．

三、一些负折射率的讨论

1、负折射材料是否可以看作是完美的透镜？

英国皇家学院的Pendry 研究了负折射晶体中电磁波的传播行为，指出这样的晶体对于光来说就如同一个透镜，可以在晶体中和晶体后成2个实像。但相比于普通的透镜，它突破了衍射的限制，因此可以大幅度提高光学存储器的存储容量、还可以用于医学成像方面。具体分析如下：

假设在透镜前有一个很小的振荡频率为ω的偶极子，电场强度用二维傅立叶展开得：

∑---?=

y

x y x z k k y k x k z k t j y x

e k k

E t r E ,,)

(),(),(σωσ 选定z 方向为波传播纵向。

Maxwell 方程告诉我们：2

2

2

2y x z k k c

k --=

-ω ， .2

22

2y x k k c

+>-ω

透镜的作用是调整每个傅立叶展开成分的相位，使它们在透镜外重新聚焦与一点，成一个实像。但是当横向传播常数较大，即.2

22

2

y x k k c

+<-ω时，2

222--+-=c k k j k y x z ω，所以

纵向传播常数为虚数，随着波向+z 方向传播，幅度将按指数规律衰减。所以要使波无衰减地传播，必须有一个限制：.2

22

2

y x k k c

+>-ω.然而，若使用一个负折射率材料的透镜，就可

以不受到这个限制，并且使它们在透镜中和透镜后两次聚焦。如下图所示（假设n=-1）

奥秘就在于介电常数ε和磁导率μ都是负的，假设ε=-1，μ=-1。由前面的理论可知我们应选择1-=-=r r n με，但波阻抗0

0εεμμr r Z =

=1仍

然是正的。所以在真空到介质的一侧，有着很好的阻抗匹配，在交界面处不会产生反射，在另一侧也是如此。计算也证实，所有能量都传入了介质。证明并不困难：假设真空中一个TE 模的波，

电场表示为 )

(]0,1,0[x k z k t j o x z e E --+=ω,

传播常数2

2

2

2

--+-=c

k k j k z x z ω，.2

22

2y x k k c

+<-ω 虚数表示为指数性地衰减。

在介质的交界面，一些波反射：)

(]0,1,0[x k z k t j o x z e r E -+-=ω，

一些波折射入介质：)

(1]0,1,0[x k z k t j x z e

t E -'-+=ω，

传播常数2222--+-='c k k j k r r z x z

ωμε .2

222y x r r k k c +<-ωμε 由边界条件：切向场量连续得： 反射系数 z

z r z z r k k k k r '+'-=

μμ， 折射系数 z

z r z r k k k t '+=

μμ2

同样在另一交界面：反射系数z

z r z r z

k k k k r μμ+'-'=' ，折射系数 z r z

z k k k t μ+''=

'2

将所有折射成分相加得： d

k j d k j d

k j d

k j d

k j s z z z z z e r e

t t e

r t t e

r t t e

t t T '-'-'-'-'-'-'=

''+''+'=22

54

32

1当1,1-→-→r r με时，取极限：

总的折射系数为： d

jk d

k j d k j z z z r r

r r e

e

r e

t t Ts ='-'=

'-'--→-→-→-→22

1

1

1

1

1lim lim με

με

总的反射系数为： 01221

1

1

1

lim lim ='-'+

=

'

-'--→-→-→-→d

k j d

k j z z r r

r r e

r e

t t r Rs με

με 。

在TM 模中能够同样得到这两个结果。

通过严密计算，J.B.Pendry 得出结论：真空中指数规律衰减的波在负折射率的介质中并没有衰减。经过介质后，它的振幅反而被扩大了。从而说明它可以在负折射率介质中传播，打破了传播常数一定要为正的波才能传播的限制。因此负折射率介质可以看作是一个完美的透镜，它可以实现能量无损耗的重新聚焦。

然而，论文发表不久，N.Garcia 和M.Nieto-Vesperinas 就联合发表论文反驳J.B.Pendry 的观点，认为负折射率介质不是完美的透镜。他们认为，虽然指数规律衰减的波在介质中振幅得到了放大，但是负折射率介质的厚度是有限的，要使其中的能量密度为无限大是不可能的，因此它阻碍了对振幅的修复作用和完美聚焦。同样认为“对振幅的修复是由介质板间众多的反射来完成的”这一命题也不正确，因为交界面处的反射系数都为0。此外，在LHM 中还会发生与色散相联系的能量被吸收。所以负折射率介质不应该被称为完美的透镜。

2、 电磁波在折射率介质中发生的是正折射还是负折射？

P.M.Valanju ，R.M.Walser 和A.P.Valaanju 发表论文，观点是：在PIM 和NIM 的交界面处虽然相速发生了负折射，但是以群速传播的整个信号发生的还应是正折射。

他们认为在交界面处不应该仅讨论波以相速的传播和折射，还应该要讨论波以群速的传播和折射。因为这里的群速dk d v g /ω=和相速k v p /ω=前面的正负符号是不一样的。而在色散介质中是群速而不是相速决定了带有信息的电磁波的传播方向和能量流动。群折射率

g n 已经广泛应用于色散介质用来区别相折射和群折射，如在光纤和等离子体中。可以证明g n 在NIM 中还是正的，所以NIM 中负折射的说法是不正确的。证明如下：

假设一个TE 模的电磁波，带有的信号频谱为带宽不为零的)(ωf 。以i θ的入射角进入到PIM 和NIM 的交界面处(z=0)，由边界匹配条件带到在NIM 中的电场为

)

(),()(),.(z k x k t j i z

x

e

T f d z x t E --?=ωθωωω，s c k x ω=，22)(s n c

k p z -=ωσω i s θsin = 其中假设i θ很小，折射系数1),(≈i T θω。c 是光速，1±=σ（PIM 中为

正，NIM 中为负）。当这个积分式的相位为恒定时，连续的干涉达到最强值。这些点就是波以群速传播波前的地方。假设信号频谱)(ωf 只含有δω±两个分量，则电场为：

)

()](cos[2),,(ωωωδjg e

g z x t E ?=，其中z k x k t g z x )()()(ωωωω--=。以群速传播

波前的位置由cos 中的表达式为0这个条件决定，即0)(=?-?-=?z x w k z k x t g ωωω 对于更一般的)(ωf 来说，群速传播波前有恒定相位条件0)(=?ωωg 决定。

即：zb xs ct ---0，其中i s θsin ≡, 2

2

22)

([s

n n d dn

s n b p

p p

p

-+-≡ω

ωσ

群速传播的波前根据群的Snell 定律对法线来说始终是正值：

0sin )tan(>=??=

b

k k i

z

w x w g θθ, 0s i n s i n )(>=

g

i i g n θθθ

对一个很小的输入角i θ来说，群折射率简化为 ω

ωω

θd n d n n p p i g )()(+=。

正的信号折射率的产生还可以通过一个简单的物理过程中来理解。见左图，如果存在负折射。那么信号波前应有BA →BC →BE 。如果真是这样，信号波前的一端应该在长度为0的时间间隔内，也就是以无限大的速度从A 到C 到E ，因为另一端从B 到B 到B 的时间间隔为0。由于速度的有限性，这种情况是不可能实现的，所以也就否定了在NIM 中负折射存在的可能性。不同于正折射的群速传播波前，相速传播波前却以负的折射角在PIM-NIM 交界处折射，但是它们的方向是反向的，并不代表电磁能流运动的方向。

光路图应该正确表示电磁能流的运动方向。根据以上分析可知，以前J.B.Pendry 等人画的光路图中波的传播方向箭头并没有正确地表示出正向的群

速传播波前正折射和反向的相速传播波前负折射，也就是没有正确地说明能流的运动方向。群速传播波前是产生于不同的相速传播的振幅加强干涉。所以应该认为入射波在NIM 中仍是正折射的向前传播。正是由于群速传播和相速传播的在NIM 中折射的巨大差别，使得波产生了迅速的色散。振幅随着z 的增加而减弱。如右图所示。

可以对由点源在真空（1=

p n ）激发，经过一个交界面到NIM （0/,1)(>-=ωωωd dn n p p ）中的球面波做相似的计算。结果就像右图显示的那样，相速传播波前（红色和蓝色的曲线）的增强性干涉产生了发散的群速传播波前（黑色和白色的等振幅线）。相速和群速的传播方向产生了一个很大的交角。利用相位传播的Snell 定律，可以计算出由离交界面i d 处点源激励的以i θ角入射的波在NIM

中“产生”了“一个相位聚焦”的距离i p p i

i p n n d d θωωωθ2

2

2

tan ]1)([)(),(-+=。但

是，事实上，真正从点源激励的各束波是不可能通过一个PIM-NIM 的交界面重新在NIM 中聚焦的，反而是发散的和色散的。

以下这张图是他们对以前文献中存在着对波的群速传播和相速传播方向混淆的图的修改。红色带箭头的线代表修改后他们认为的正确方向。

3、εμ为负，是否带来了负能量？

负折射率的研究与负能量问题密切相关。众所周知，电场能量密度为2

2

1E w e ε=，磁

场能量密度为2

2

1H w m μ=

式中E 、H 分别为电场强度、磁场强度；如果，我们μ<0,ε<0,

就得到负的e w 和m w ，亦即负电磁能量。不仅如此，事实上还有文献讨论了带电粒子在这种新奇介质(系统)中以超光速运动的问题，这就证明了UCSD 研究组已注意到有关领域之间的联系。凡此种种都说明，UCSD 研究组的工作与超光速问题密切相关是无可怀疑的。

负能量在过去只被物理学家在处理问题时作为一个辅助计算的手段而否定其实际上的可能性。例如，A ．Einstein 就从未有过关于负能量或负质量的说法。自1928年P ．Dimc 提出负能态理论，以经过几十年，到20世纪末及2l 世纪初时负能量已成为实在的物理概念，用在宇宙学研究，Casimir 力测量，零点能探索，等离子体研究，超光速研究等领域.UCSD 研究组的工作揭示了物质的电磁参数ε、μ可以为负，光折射率可以为p n 负，这种异常传播与负能量、超光速均有关系。

当前，对于由零点能的变化而引起Casimir 力的实验证明已得到科学界的认同，即测量这个力的成功即表示零点能的存在得到证实，但并不表示负能量问题已经真相大白，还有许多工作等待着科学家们去做。

四、总结：

负折射率介质仍是当今国际科学研究的课题之一。虽然现在已有很多关于负折射率的研究，但是从各方面的反映来看，研究成果论点不一，争议较大。负折射率仍然有着强大的吸引力，好多东西还值得研究。弄清其内在的性质，可能会为人类造福。

参考资料：

1.Negative Refractive Index Problem in Microwave Anomalous Propagation

Huang Zhixun 2.Negative Refraction Makes a Perfect Lens

J. B. Pendry

3.Experimental V erification of a Negative Index of Refraction

R. A. Shelby, D. R. Smith, S. Schultz

4.Wave Refraction in Negative-Index Media: Always Positive and V ery Inhomogeneous P .M. V alanju, R. M. Walser, and A. P . V alanju

5. Left-Handed Materials Do Not Make a Perfect Lens

N. Garcia1, and M. Nieto-V esperinas

https://www.wendangku.net/doc/7d8943170.html,ment on “Wave Refraction in Negative-Index Media: Always Positive and V ery

Inhomogeneous” JB Pendry1 and D.R. Smith

7. Negative Refraction Makes Light Run Backwards in Time

J.B. Pendry

8.Transmission Enhancement by Using a Negative-Refractive-Index Layer

Z. M. Zhang and C. J. Fu 9．Negative Energy in Faster than Light Investigation-An Important Direction to Researches

Huang Zhixun

备注：

通过这次《电磁场与电磁波》课的专题研究，自我感觉收获不小。首先，培养了能够就所选的主题通过期刊查阅、网络查找等方式获取自己所需资料的能力。第二，能就所收集资料进行仔细研究，通过已学过的知识分析文献的新内容，加以融会贯通，逐步理解。这次专题研究，我阅读了大量的文献，对很多关于负折射率的研究都有了大致的了解。倘若时间更宽裕，其实还有很多东西值得讨论和研究。阅读英文文献即培养了外文阅读能力，又给我提供了一个直接接触外国著名科学家著作的机会。虽然，可能在一些方面还不是很理解或还有一些疑问，但总的来说还是学到了不少东西。第三，增强了我探索科学前沿知识的热情。

这次专题如果让我给自己打分，我会打优秀。虽然文章中可能存在一些错误或疑问，但我花了大量的精力和时间，以非常认真的态度去完成，尽了自己很大的努力！

我认为采取专题研究这种方式考核比最终的期末书面考试要好。因为期末书面考试会给学生带来很大的压力，学习的积极性不会很高。然而专题研究即可以培养对这么课的兴趣，又可以使学生运用课本中所学的知识，帮助理解更多更广的科技信息或参与实践设计。在一个轻松、高积极性的氛围中，掌握了该掌握的东西，又学到了新的知识。这种方式值得推广！

2002年1月

负折射率材料

超颖材料（Metamaterials）的发展 李雄SC08009037 机密机械与精密仪器系本人博士阶段的课题方向为超颖材料（Metamaterials）的设计与应用。Metamaterials这一概念在提出之初，通常指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质)，因此它又称负折射率材料、左手材料或双负材料，这在自然界中并不存在。然而随着这一新兴领域的发展，其研究范围被不断扩展，目前，它的范围已包含负折射率材料，单负材料（人工复介电常数材料(ε)和人工复磁导率材料），人工超低折射率材料和超高折射率材料等等。Metamaterials是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，正因为其具有自然界物质不存在的奇异特性，因而受到广泛关注，并已在其相关的几个实际应用领域显示出了巨大的应用前景。 1、Metamaterials的发展概述 拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial 一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征： （1）metamaterials通常是具有新奇人工结构的复合材料； （2）metamaterials具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）； （3）metamaterials性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。 尽管metamaterials的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。 1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，

金属材料与人类社会的发展

金属材料与人类社会的发展 概要： 金属是人类历史发展中最不可或缺的材料，更是人类社会进步的关键所在，本篇论文将围绕金属在人类社会中的地位，应用等方面展开。主要论述金属材料与人类社会之间的关系，回顾金属过去在人类历史中的作用，分析其在现代社会的地位，并且展望金属才来的在未来的发展前景。 正文： 从100万年以前,原始人以石头作为工具,称旧石器时代。1万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入新石器时代。现在考古发掘证明我国在八千多年前已经制成实用的陶器,在六千多年前已经冶炼出黄铜,在四千多年前已有简单的青铜工具,在三千多年前已用陨铁制造兵器。我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁,比欧洲要早一千八百多年以上。18世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶,现代平炉和转炉镍管炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代。与此同时,铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。至今,金属材料在材料工业中一直占有主导地位。金属材料可以说是人类社会发展的全称见证者，我之所以那么说，是与他在人类社会各个转型期所起到的举足轻重的作用所分不开的。作为人类最早发现并开始加以利用的一种材料，金属可以说从方方面面影响着人类的历史发展进程。从最初把金属打造成狩猎武器到如今人类的生活已完全离不开金属，可见金属早已融入了整个人类社会，那么金属在人类社会中的过去，现在和将来又会是什么样的呢？ 金属的在人类社会的过去时中扮演的角色多为一个时期的社会性质的缩影。如新石器时代，青铜器时代等等，而之所会如此为这些时代命名，归根结底，最主要的原因，便是人类在这一石器开发出了某种新的金属，而这一金属几乎决定了人类在这一时期的文明发展进程。如在战国石器，由于铁器的发明和使用，既解放了农村的大量生产力，又在投入战争使用后，大大缩短了战争的进程，从而加速了整个国家的统一，结束了乱世的局面，使得我国文明在一段动荡时期后能够继续得以正常的发展。其中，金属在武器方面的贡献主要在冷兵

超材料doc

超材料——过去十年中人类最重大的十项科技突破之一 狭义上超材料即指电磁超材料,电磁超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性,能够实现对电磁波传播的人为设计、任意控制。目前该材料被应用在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等方面。 看好电磁超材料在军工、通信和智能结构等方面的应用前景 电磁超材料在军工领域的应用比较广泛,目前已应用的超材料产品包括超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通讯天线、无人机雷达、声学隐身技术等。 通信领域电磁超材料最具应用前景的就是无线Wi-fi网络,目前光启已进入该领域。 电磁超材料在智能结构中的应用主要有两类:地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。智能结构用电磁超材料的市场前景非常广阔 超材料主题相关主要包括:(300077)、龙生股份(002625)、(600804)和(600490)等,建议重点关注国民技术、鹏博士和鹏欣资源。 超材料 “Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。 “左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。 原理 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，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。 特征 metamaterial重要的三个重要特征： （1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料； （2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是的材料中所不具备的）； （3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。 隐形功能 具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。 然而，2006年，北卡罗来纳州的（Duke University）和（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案（五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究）。 制造研究

金属材料就业前景

金属材料就业前景文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]

金属材料就业前景 金属材料就业方向与前景 本人是材料学院的学生，我们学院下设四个专业方向，分别是:金属材料、无机非金属材料、太阳能光伏材料、高分子材料。总体来说，高分子的就业前景最好，其次是金属材料。由于光伏材料是我院第一届招生，所以他们的就业既可能是巨大的机遇，又可能是极大的风险。本人所学专业是金属材料，因此下面我将介绍一些金属材料方面的概况。 金属制品行业包括结构性金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、不锈钢及类似日用金属制品制造等。随着社会的进步和科技的发展，金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。 2009年金属制品行业的产品将越来越趋向于多元化，业界的技术水平越来越高，产品质量会稳步提高，竞争与市场将进一步合理化。加上国家对行业的进一步规范，以及相关行业优惠政策的实施，2009-2012年，金属制品行业将有巨大的发展空间。 对于金属材料工程专业的毕业生，毕业后主要职业流向有: (1) 材料工程师 (2) 工业工程技术员 (3) 工业工程师 (4) 机械工程技术员 (5) 电子工程师 主要行业流向有: (1) 金属制品业 (2) 初级金属制造业 (3) 交通运输设备制造业 (4) 电子和电器设备及零件制造业 (5) 工商业机械及计算机设备制造业 造船厂技术部做焊接，现在很缺乏焊接的人才，他们招不到焊接方向的人的话就会考虑你的，我有很多同学都去了广州和上海的造船厂去大型制造业做铸造、锻造或者热处理，比如一重、二重、钢厂和汽车制造厂还有就是去一些企业的研发中心做材料测试和研发，这样一般要求是研究生毕业。主要就是技术工作了，部门就是在生产部或者技术部做技术支持、研发部或实验室做产品研发 其实我现在发现最好的是去外资的验证公司，做资格或者质量验证的，真的很好，最主要的是看你的综合个人素质了～

超材料原理

超材料原理 超材料(meta-material)是一种人工的、三维的、具有周期性或非周期性单元结构的、具有某种特殊性质的宏观复合材料。超材料的主要原理是依靠三维复杂单元结构，实现对材料电参数及其空间分布的控制，从而控制电磁波/光波的传输行为。由于超材料常具有显著的三维空间不对称性，其材料参数常具有空间各向异性。 超材料的本质原理与1862年勒鲁(Le Roux)提出的‘反常色散’现象是非常类似的，指随着入射电磁波频段的降低，在吸收频带以上附近形成的折射率随由正值迅速下降的为零甚至负值的现象。负折射率材料内部的群速度(能量速度)和相速度(视觉速度)是相反的，这一点已被化学波实验所证实。 典型的两种超材料结构，负折射率材料和三维隐身衣，其机理是不同的，分别依靠负折射率单元周期排布和渐变正折射率单元空间分布实现的，其实现的单元结构均为分裂环(split-ring resonator，SRR)。 超材料的定义实际上相当宽泛，因为没人能精确定义特殊性质是什么性质。超材料一般用于描述三维结构，但是超材料的概念常与频率选择表面的概念混为一谈，事实上超材料和频选的特征分别是三维体结构，二维平面结构及其层叠结构。超表面属于频选。化学波实验证明了超材料在自然界或各向同性介质中是有可能存在的，尽管机理可能有所不同。

由于任何材料均存在着强烈的色散关系，超材料的特性仅存在于窄频带以内，已知的负折射率材料和隐身衣均是如此。通过单元空间分布方式的精确复杂控制，有可能补偿超材料的色散。 超材料原理的应用范围包括对所有物理波的调制：包括电磁波(光波)、声波、机械波、化学波等，有可能实现波的定向发射、绕射、聚焦、成像。 部分图片来源：学术期刊《science》，《physical review letters》 图1：负折射示意图 图2：负折射结构实物图

负折射率材料在军事隐身技术上的应用

负折射率材料在透镜聚焦成像方面的应用 众所周知，传统的光学透镜已经有很悠久的历史，其局限性是没有哪个透镜能将光聚焦在比λ2更小的范围内，即传统的光学透镜要受到光波长的限制。然而使用负折射率材料制成的透镜可以极大地突破这种限制，这种透镜可以聚焦2D成像中的所有傅里叶成份以及那些不能在辐射方式中存在的传播，这样的透镜可以作为微波光束检测的常规手段。Pendry[1]从传统的光学透镜理论出发，模拟了负折射光学透镜的可能性原理，他认为传统的光学透镜只适应于纵向波矢，而无法对横向波矢进行研究,因为横向波矢的衰减太严重，而体现物质光学传输特性的传输波几乎都在横向波矢（衰减波）里面，要对这些传输波进行研究，就得找新材料，显然，负折射率材料刚好能满足这一要求。负折射率材料不仅能够和常规介质一样会聚行波，而且还能增强随距离增加快速衰减的衰逝波振幅，修复衰减波的相位。因此，这种具有传播和增强衰逝波性能的材料可以提高成像分辨率。如果用负折射率材料制成超透镜，那么这样的透镜就有几个重要的优点：（1）由于没有光学轴，因此就不需要对共轴条件有更为苛刻的要求。（2）平行厚板代替曲线形状，其结构更为简单，同时也更能适应于大规模生产的需要。（3）当给定超透镜的结构和光束的波长后，超透镜的分辨率就不受透镜的表面周长和光束波长的限制了，a s/λ越小，其分辨率越高。 利用负折射材料透镜具有高分辨率的这种优良特性，可以制作微型分光仪、超灵敏单分子探测器、磁共振成像及新型的光学器件，可用于进行具有危险性的生物化学药剂探测微量污染探测、生物安全成像、生物分子指纹识别，以及遥感、恶劣天气条件下的导航等。另外，利用负折射率材料的负折射和衰逝波放大特性，可以制作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光学仪器高几百倍的扁平光学透镜。负折射率材料还有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有的DVD高几个数量级的新型光学存储系统。 此外，我们也可以利用负折射率材料制成的平板透镜的汇聚特性实现天线搬移的功能。如下图所示，假设A为实际天线，电磁波经过负折射材料透镜后在B处成像，与天线在B 处的辐射效果相同，所以负折射率透镜在军事中可以起到隐蔽天线A的作用。 图：波在负折射率平板中的传播示意图 [1]Pendry J B.Negative Refraction Makes a Perfect Lens [J].Phys Rev. Lett,2000,85(18):3966～3969.

无机非金属材料的现状与前景

无机非金属材料的现状与前景 【摘要】无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。在材料学飞速发展的今天，无机非金属材料有这广阔的应用前景和良好的就业形势。 【关键字】无机非金属材料方向前景智能 1. 无机非金属材料的特点及应用 无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。 在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。 无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。 普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。

浅谈负折射率材料的研究进展

浅谈负折射率材料的研究进展

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学号20095040067 本科毕业论文 学院物理电子工程学院 专业物理学 年级2009级 姓名毛慧娟 论文题目浅谈负折射率材料的研究进展 指导教师张新伟职称讲师 2013年04月26日

目录 摘要 (1) Abstract (1) 1引言 (1) 2 负折射率材料的异常物理性质 (2) 2.1 群速方向和波矢方向相反 (2) 2.2 负折射现象 (2) 2.3 逆多普勒效应 (2) 2.4 逆Cerenkov辐射 (3) 3 实现负折射率材料的方法 (3) 3.1 双负介质实现负折射 (4) 3.2 手征介质实现负折射 (5) 3.3 光子晶体实现负折射 (6) 4 负折射率材料的应用 (8) 4.1 负折射率材料在军用雷达天线和通信器件中的应用 (8) 4.2 负折射率材料在隐身技术领域中的应用 (10) 4.3 负折射率材料在超灵敏探测仪器中的应用 (11) 4.4 负折射率材料提高空间望远镜分辨率的可行性 (12) 5 结语 (13) 参考文献 (13)

浅谈负折射率材料的研究进展 学生姓名：毛慧娟学号：20095040067 单位：物理电子工程学院专业：物理学 指导老师：张新伟职称：讲师 摘要：本文在介绍负折射率材料的国内外研究发展历程及其异常物理特性的基础上，介绍了负折射产生的原理，阐述了实现负折射率材料的3种主要方法，指出负折射率材料在军用雷达、天线技术、通信系统及器件、隐身技术、超灵敏探测等方面具有极大的应用价值和前景。 关键词：负折射率材料；左手介质；纳米；研究进展 Discussion on the research progress of negative refractive index materials Abstract：after the introduction of the development process of negative refractive index materials on the earth and its unusual physical properties in this paper，I introduce the principle of negative refraction and three main approaches to achieve negative refraction materials，pointed out that negative refractive index materials in militarythe radar antenna technology，communications systems and devices，stealth technology，ultra-sensitive detection has great application value and prospect. Key words：Negative refractive materials；left-handed material；Nano research progress 1引言 近几年，一种称为负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛的关注。1968年，前苏联物理学家Veselago提出了“左手材料”的概念，这种负折射材料具有负的介电常量与磁导率，那么电矢量，磁矢量和波矢之间构成左手系关系，这区别于传统材料中的右手系[1]。由于自然界没有介电常量和磁

金属材料的应用现状及发展趋势分析

金属材料的应用现状及发展趋势分析 在进行金属材料的应用现状及发展趋势分析之前，先简要介绍一下金属材料。金属材料是最重要的工程材料之一。按冶金工艺，金属材料可以分为铸锻材料、粉末冶金材料和金属基复合材料。铸锻材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括钢、铸铁和各种铁合金。有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝及铝合金、铜及铜合金等。工程结构中所用的金属材料90%以上是钢铁材料，其资源丰富、生产简单、价格便宜、性能优良、用途广泛。钢有分为碳钢和合金钢，铸铁又分为灰口铸铁和白口铸铁。 一、金属材料的应用现状 金属材料的结构及其性能决定了它的应用。而金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工的性能，如铸造性、锻造性、焊接性、淬透性、切削加工性等。使用性能是指材料在使用条件和使用环境下所表现出来的性能，包括力学性能（如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）、物理性能（如熔点、密度热容、电阻率、磁性强度等）和化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）。 金属材料具有许多优良性能，是目前国名经济各行业、各部门应用最广泛的工程材料之一，特别是在车辆、机床、热能、化工、航空航天、建筑等行业各种部件和零件的制造中，发挥了不可替代的作用。 （1）、在汽车中的应用。缸体和缸盖，需具有足够的强度和刚度，良好的铸造性能和切削加工性能以及低廉的价格等，目前主要用灰铸钢和铝合金；缸套和活塞，对活塞材料的性能要求是热强性高，导热性好，耐磨性和工艺性好，目前常用铝硅合金；冲压件，采用钢板和钢带制造，主要是热轧和冷轧钢板。热轧钢板主要用于制造承受一定载荷的结构件，冷轧钢板主要用于构型复杂、受力不大的机器外壳、驾驶室、轿车车身等。还有汽车的曲轴和连杆、齿轮、螺栓和弹簧等，都按其实用需要使用的了不同的金属材料 （2）、在机床方面的应用。机床的机身、底座、液压缸、导轨、齿轮箱体、轴承座等大型零件部，以及其他如牛头刨床的滑枕、带轮、导杆、摆杆、载物台、手轮、刀架等，首选材料为灰铸铁，球磨铸铁也可选用。随着对产品外观装饰效果的日益重视，不锈钢、黄铜的

一种基于复合结构的双频高折射率超材料

? 78 ? ELECTRONICS WORLD ?探索与观察 提出了一种双频高折射率超材料，该单元结构由“方环型”和“方型”的复合金属结构和介质基底组成，且复合金属结构嵌入在介质基底中。其高折射率特性通过增强单元间的电耦合来增大有效电常数，同时减少金属结构的抗磁效应来提高有效折射率，最终实现了超材料的高折射率特性。提出的超材料结构在0.1-1THZ频段内实现了双频高折射率特性，分别在0.51THz和0.69THz取得了折射率峰值，其值分别为8和7，且可以通过控制结构的几何参数来调整两个频段的折射率。 引言:超材料是一种具有人工设计结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人造材料。超材料的性质不是由组成材料的固有性质决定的，而是由人工设计的“超原子”决定的。通过合理的设计“超原子”的尺寸和形状，以及不同的排列方式，能够实现各种奇特的电磁特性。通过调整超材料的电响应和磁响应，其有效折射率值可以实现从负折射率（Smith D R,Pendry J B,Wiltshire M C K.Metamaterials and Negative Refractive Index:Science,2004）、零折射率（Ziolkowski R W.Propagation in and scattering from a matched metamaterial having a zero index of refraction:Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics,2004）到超高折射率的变化。近年来，人们主要关注负折射率和零折射率超材料，而很少关注高折射率超材料。然而，由于光学图像的分辨率与系统中透镜材料的折射率成正比，因此在成像和光刻领域需要高的正折射率材料（Xiao S,Drachev V P,Kildishev A V ,et al.Loss-free and Active Optical Negative-index Metamaterials:Nature,2010）。在太赫兹波段，高折射率超材料也可以为发展太赫兹光学器件开辟新道路，促进如太赫兹隐身（Zhou F,Bao Y ,Cao W,et al.Hiding a Realistic Object Using a Broadband Terahertz Invisibility Cloak:Scientific Reports,2011）、光延迟线（Karalis A,Lidorikis E,Ibanescu M,et al.Surface-plasmon-assisted guiding of broadband slow and subwavelength light in air:Physical Review Letters,2005）、光栅（Park S G,Lee K,Han D,et al.Subwavelength silicon through-hole arrays as an all-dielectric broadband terahertz gradient index metamaterial:Applied Physics Letters,2014）、高折射率透镜（Tsai Y J,Larouche S,Tyler T,et al.Design and fabrication of a metamaterial gradient index diffraction grating at infrared wavelengths:Optics Express,2011）等太赫兹功能器件的发展。 Sivenpiper 等人早前提出了一种非谐振亚波长的平行金属板阵列，通过平行板之间的电耦合来提高有效介电常数，从而获得高折射率特性（Sievenpiper D F,Yablonovitch E,Winn J N,et al.3D Metallo-Dielectric Photonic Crystals with Strong Capacitive Coupling between Metallic Islands:Physical Review Letters,1998）。然而， 所提出的结构具有很大的抗磁效应（0< μ?1），因此，该结构的折射率没有显著的提高。随后，Wood 和Pendry 证明了一种金属立方体结构的抗磁效应是由于金属上的感应电流环产生的磁矩与外加磁场方向相反造成的（Wood B,Pendry J B.Metamaterials at zero frequency:J Phys Condens Matter,2007）。后来Shin 等人用数值方法证明了通过适当的对立方体结构进行改造，可以减小感应电流包围的区域，来减小抗磁效应（Shin J,Shen J T,Fan S.Three-dimensional metamaterials with an ultrahigh effective refractive index over a broad bandwidth:Physical Review Letters,2009）。基于这些理论，Choi 等人设计出了一种太赫兹波段的“工”型高折射率超材料（Choi M,Lee S H,Kim Y ,et al.A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index:Nature,2011），该结构在增大电耦合的同时减小了抗磁效应，实现了超高折射率特性。近年来，在高折射率超材料的发展中，虽然已经取得了一些成果（Singh R,Yan F,Zhang W,et al.Terahertz metasurfaces with a high refractive index enhanced by the strong nearest neighbor coupling:Optics Express,2015；Shi H,Lu Y ,Wei X,et al.Characterization for metamaterials with a high refractive index formed by periodic stratified metallic wires array:Applied Physics A,2009），但很少有人提出双频段的高折射率超材料。 1 单元结构设计 我们提出的结构单元如图1所示，方环金属贴片和方形金属贴片嵌入到介质基底中。其中，金属由电导率为5.8×107s/m ，厚度为0.2um 的铝组成；介电基底的材料为聚酰亚胺，其介电常数为3.4，损耗正切角为0.0027，且介质基底的厚度为30um 。结构的其它参数如下：p=200um ，L 1=L 2=88um ，w=8um 。此外，y 方向上相邻方环金属结构之间的缝隙g 1=p/2-L 1，相邻方形金属结构之间的缝隙g 2=p/2-l 2。 图1 单元结构示意图

功能材料(负折射率材料)

负折射率材料 实验中发现，在某种材料中，光线的折射与正常折射不同，正常折射时，光线会位于法线的不同侧，在这种材料中，光折射时，光线位于法线的同侧，因此称之为负折射现象，这种材料叫做负折射率材料。在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向符合“左手法则”，而不是常规材料中的右手定则，所以具有负折射率的材料也被称为左手材料。光波在其中传播时，能流方向和波矢方向相反，用同时具备负介电常数和负磁导率的超材料可以得到这一现象，此时超材料具有负折射率，这样的材料也被叫做负折射率材料。 光波是一种电磁波，在传播过程中，电场、磁场和波矢方向遵守右手定则)//(k H E ?。光发生正常折射时，遵守折射定律)sin sin (2211i n i n =，入射光线和折射光线在法线的不同侧，同时遵守费马原理——光程沿平稳值的路径而传播。但是当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料时，介电常数和磁导率都为负)0,0(<<με，折射率n 取负值 )0(<-=εμn ， 电场、磁场和波矢符合左手定则，能流方向和波矢方向相反)(?=。自然电磁材料以原子或分子构成，光学和电磁性质通过化学来改变，介电常数和磁导率既定且取值有限。而超材料一般认为是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过单胞的几何排列，设计出不同的结构单元，原则上能够实现几乎任意的电磁参数，比如负值。在晶体学中，原胞是最小重复单元具有一个格点，格点上的原子是一个或者两个或者两个以上，单胞是原胞的整数倍，可以通过改变单胞的形状、大小和构型，使单胞达到几十或者几百个原子的量级，甚至更高，从而改变材料的电磁参数，由此控制电磁波的传输。调控电磁参数可以使材料的折射率为负值，使得这种超材料成为负折射率材料。目前扫描隧道显微镜（STM ）可以观察和定位单个原子，此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K ）可以利用探针尖端精确操纵原子，所以可以利用扫描隧道显微镜改变单胞的几何结构，得以实现具有负折射率的超材料。研究发现负介电常数可以由长金属导线阵列（ALMWs ）这种结构获得，微型金属共振器，比如具有高磁化率的开口环形共振器（SRRs ）可以实现负的磁导率。将这两种结构结合，即金属导线和开口谐振环阵列结构，可以实现负折射率材料。除此之外，串联电容和并联电感的周期性结构，以及利用量子相干效应或者EIT （电磁感应透明）效应也可以实现负折射率材料。因为量子相干性，或者说“态之间的关联性”，是描述电子向右自旋和正电子向左自旋的状态是相关联的这一现象。EIT 也叫电磁感应透明，是由原子光激发通道之间的量子相干效应引起的，并导致光在原子共振吸收频率处的吸收减小甚至于变成完全透明，是一种消除电磁波在介质中传播过程中所受到的影响的技术。 可以将铜做成金属导线和开口谐振环阵列结构，再添加其它物质做成复合材料。因为铜有很好的延展性，导热和导电性能较好，并且铜在自然界含量丰富，化学性质很稳定，是抗磁性材料。铜已经得到广泛应用，我们对铜的研究已经很完善。铜的熔点较低，容易再熔化、再冶炼，回收利用相当的便宜。此外，铜是人体健康不可缺少的元素，且它的潜在毒性较低。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等特点。以铜为主要元素的复合材料，以不同方式组合而成，可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围，可以满足不同的需求。 根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯曲，利用负折射率材料，改变材料的单元结构，通过不同的结合结构和排列设计，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的想法。据此，负折射率材料可以扭曲光波，阻碍人眼看见物体；或者使电磁波绕过目标实体而实现隐身。

材料科学基础报告 金属材料的发展与展望

金属材料的发展和展望 一、金属材料的发展过程 材料的发展史就是人类社会的发展史，经历了石器、陶器、青铜器、铁器时代。我们正处于多元材料时代，材料、能源、信息是现代社会的三大支柱。金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。金属材料一直扮演着重要的角色，例如陆、海、空、各类运输工具，桥梁、建筑、机械工具，国防重工业等。 金属材料发展的四个阶段：由公元前4300年用金、铜、铁铸造锻打制作出大马士革刀、日本武士剑等原始钢铁到十九世纪铁桥铁路的修筑建立学科基础，又由十九世纪中金属学、金相学发展到合金相图、位错理论等微观组织理论的发展。微观理论的深入研究有原子扩散、马氏体相变、位错滑移，原子显微镜、电子显微镜等新仪器的产生又为进一步研究微观组织提供了可能性，随之产生了表面和界面科学。 材料科学研究了材料的核心关系，即结构和性能的关系，制造工艺决定了材料的结构，结构又决定了材料的性能，性能决定了它的用途。材料科学和技术进入世界科技发展优先领域的第五位。在面临环境保护、节约能源的情况下，新材料便应运而生。 现代金属材料有铝镁合金等先进结构材料、钛铝合金等高温合金材料、复合材料、超导材料、能源材料、智能材料、磁性材料、纳米材料等。材料力学性能有强度、弹性、塑性、硬度等，物理性能有电学、磁学、热学、光学性质等。对材料的研究方向正由力学性能慢慢向物性转变。金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒。可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。 二、金属材料的现状 金属材料作为人类推动社会发展的重要载体之一，作为原料在人类的生产生活中已经被广泛应用，金属材料作为原料具有以下等特征，金属材料本身具备高弹性的模量，金属材料具有高强度的韧性，金属材料的强度硬度是其他同类原料所无法比拟的，在当代金属材料科学的不断成长下金属材料在所有材料的范畴中占据了非常非常重要的位置，在现实中，最常见的金属材料应用的领域有航天航空以及建筑工程等行业。 金属材料机械制造业、建筑业、电子信息等领域都有很大的市场和优势。 汽车的制造上有了高强度钢来制造外形，强度高且质量小的镁合金做发动机、变速箱传动机构等；高强度钢是具有很好的强度和韧性的钢种，在吸能性、应变分布能力和应变硬化特性上远远好于传统钢。与铝、镁这类金属材料相比，具有很好的经济性能，会为企业节省大量的制造成本。由于其有良好的强度和韧性等金属特性，因此被广泛的应用在保险杠、车门槛、车门防撞梁等零件上，它的使用既增加了汽车的安全性，又降低了车身自重。而为了适应轻质材料发展趋势，我们要不断的借鉴国外的先进技术，并结合自身发展需求特点，进行高强度钢的研发。 在建筑领域中，每一次新型金属材料、新型工程技术的出现，都将推动着建筑技术的革新，并对建筑师进行建筑创作，表达建筑美学产生巨大影响。金属材料以其优越的材料性能和独特的视觉效果，已经从建筑中最初的栏杆、扶手等局部装饰构件、建筑内部结构框架，逐渐走向建筑表皮，并决定着建筑所呈现的整体形象，表达着建筑美的意境。如今，金属材料在建筑表皮中扮演着重要角色，对应用金属材料进行建筑表皮的创作与研究，已成为材料科学、建筑学、美学等众多学科争相探索的一个重要课题。

NIM(负折射率材料)专题研究

NIM （负折射率材料）专题研究 严 杰 一、有关折射的基本概念 1、基本定义与关系式 电磁学的早期即由实验发现了以下规律：各向同性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，故有 E ε=D ，式中ε是比例系数，称为介电率或介电常数．另外，实验还证明，对各向同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向一致，大小成正比，故有H B μ=，式中μ比例系数称为导磁率．ε和μ被看成表征物质电磁性质的宏观参数． 在自由空间(无电荷源及传导电流)，由麦克斯韦方程组导出的电磁波波方程为 由此得无色散电磁波传播速度r r c v μεεμ = = 1 式中，0/εεε=r 是相对介电常数； ,/0μμμ=r 是相对磁导率00με，则为ε，μ在真空中的值； 而c 为自由空间(真空中)光速，0 01 με= c 。实际上，按照麦克斯韦场理论，电磁作用过程是经过场(波)而完成的，在真 空条件下，这个作用传递的速度就是c ．可见，麦克斯韦由于提出电磁场方程组而被后人认 为是伟大的科学家这点没错；但由于时代的局限(经典场论产生于距今136年前)，他的理论不可能解释近年来以量子力学、量子光学为基础而完成的超光速、超慢光速实验． 2、折射 折射是自然界最基本的电磁现象之一。当电磁波以任意角度入射到两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。那么，介质的折射率是如何定义的？ 图一表示介质1中的入射波在介质2中折射，虚线AC ，BE 为波前，由于 , sin ,sin 2211t v CB CE t v CB AB ====θθ故有 此式即为Snell 定律，由它可以计算折射波前进的方向，式中1v ，2v 均为相速。 ,02 2 2 2 2 2 =??-?=??-?t H H t E E εμ εμ 1 2 11222121sin sin n n v v ===μεμεθθ

金属的材料地地的应用现状与发展趋势

金属材料的发展现状与前景 摘要：金属是人们日常生活生产中最不可或缺的材料，更是人类社会进步的关键所在，本篇论文主要论述金属材料的种类、性能及在社会发展中的重要应用，并且展望金属材料在未的发展前景。 关键词：金属材料、镁合金、铝合金、稀土、汽车 引言 金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始： 一、分类： 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 1、黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳2％～4％的铸铁，含碳小于2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。 4、金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。 二、性能 金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。 材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。 材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。 三、应用现状： 金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。 1、镁及镁合金

金属材料专业就业前景

金属材料专业就业前景 金属材料工程专业工资待遇 截止到12月24日318536位金属材料工程专业毕业生的平均薪资为5016元其中应届毕业生工资3551元02年工资4252元10年以上工资1000元35年工资5340元67年工资6817元810年工资7688元金属材料工程专业招聘要求 针对金属材料工程专业招聘企业给出的工资面议最多占比100%;不限工作经验要求的最多占比93%;不限学历要求的最多占比73% 金属材料工程专业就业方向 金属材料工程专业学生毕业后可在冶金、材料结构研究与分析、金属材料及复合材料制备、金属材料成型等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作 金属材料工程专业就业岗位 销售工程师、焊接工程师、机械工程师、焊工、工艺工程师、模具工程师、结构工程师、材料工程师、销售经理、技术员、热处理工程师、电焊工等 金属材料工程专业就业地区排名 金属材料工程专业就业岗位最多的地区是上海薪酬最高的地区是盐城 就业岗位比较多的城市有：上海[666个]、北京[361个]、广州[276个]、深圳[240个]、武汉[187个]、东莞[184个]、南京[165个]、苏州[163个]、佛山[151个]、天津[150个]等

就业薪酬比较高的城市有：盐城[12499元]、北京[6547元]、惠州[6527元]、上海[6269元]、南通[5953元]、厦门[5367元]、广州[5232元]、深圳[5155元]、佛山[5147元]、温州[5049元]、杭州[5027元]等 金属材料工程专业在同类专业排名 金属材料工程专业在专业学科中属于工学类中的材料类其中材料类共17个专业金属材料工程专业在材料类专业中排名第4在整个工学大类中排名第29位 在材料类专业中就业前景比较好的专业有：材料成型及控制工程宝石及材料工艺学工业设计金属材料工程冶金工程焊接技术与工程高分子材料与工程机械设计制造及其自动化过程装备与控制工程等

负折射率材料特点及其应用

负折射率材料的特点及其应用 背景 自然界存在的介质都是折射率大于0的，我们常接触的材料的折射率多数都是大于1，在定性思维的误区下，人们认为介质的折射率都为正。 直到1968年，苏联物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）【1】提出了负折射率的理论。由于韦谢拉戈的这一设想完全颠覆了人们所认知的光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，在许多现象描述上完全背离常规，所以在相当长的时间内都不被人们认可，这种荒诞的想法没有必要去研究证明。 Veselago为了证明自己的观点开始苦苦寻求满足要求的物质，但是他失败了。没有充足的证据证明他的猜想，渐渐地就被人们淡忘了。 19966年~1999年，英国的Pendry从理论上提出了一种由开路谐振金属环构成，具有等效的负介电常数和负磁导率的三维周期结构，【2】~【3】这一发现理论上证明了负折射率材料的可存在性，使Veselago的猜想重新摆在了人们面前。 不久，美国的Smith等在2000年金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质，从实验上验证了负折射率的存在。【4】~【5】他们研制出了相应的器件，负折射率材料由此进入了实质性研究的阶段。 2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。【6】 图1.负折射率的超材料 近年来，负折射率材料的研究愈发成为科学界的热点，这要应用于军事、航天等高端领域，起因了国内外众多研究者的注意，涉及电磁波、光电子学、材料学等方面。

随着对负折射率材料的研究，又掀起了一阵对新兴领域的发展，即超颖材料（Metamaterials ）。超颖材料不只包含负折射率材料，也包含单负材料，人工超 低折射率材料和超高折射率材料等。【7】 正如折射率材料的提出一样，超颖材料的重要意义不仅体现在所研制出的几种人工材料，也体现在了一种全新的思维方法。为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间。 理论分析 首先来看一下负折射率材料的概念，负折射率材料也称为左手材料（left handed medium ），简写为LHM （这一命名原由将在后面给予证明）。指的是介电 常数ε、磁导率μ、折射率n 同时为负的介质。【5】 麦克斯韦方程组在物理领域有着至高无上的地位，主要是由于麦克斯韦方程组适用广泛，所以这里我们也从麦克斯韦方程组开始着手。 电磁波尸油谐振的电场和磁场组成。各向异性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，有 (1)E D ε= 式中ε是比例系数，成为介电常数。 对于各项同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向保持一致，大小成正比，有 (2)H B μ= 式中μ成为磁导率。 再加上， (3)E J σ= 以上三个式子被称为物质方程。 我们再来看麦克斯韦方程组的微分形式： ???????????+=????-=??=??=??)4(0t D j H t B E B D ρ 麦克斯韦方程组表明，任何随时间而变化的磁场，都是和涡旋电场一起的。任何变化的电场，都是和磁场联系在一起的。