图解超材料

超材料是近十几年才兴起的一个研究方向，它是一种新型的人工材料，它的等效性质主要依赖于它的单元结构而不是组成成分，因此，也被称为超构材料或元材料。通过人工设计的结构单元可以实现自然界材料不具备的超常的物理性质，因而其具有广泛的应用前景。
某些超材料的研究起源较早，但直到21 世纪，超材料的名称才被提出并给出了系统的阐述。电磁学超材料是研究最早的超材料，左手材料和电磁隐身斗篷的提出，使得超材料得到了很大的关注，吸引了大批学者投入到相关的研究中，研究领域也在不断拓展，从最初的电磁学超材料，发展到声学超材料，后来又出现热学超材料、等离子体超材料、生物超材料等。在每个领域内，研究的内容也不断丰富，各种具有特异性质的模型不断涌现，并且不断有学者对已有模型进行改进和优化，超材料的研究已然成为科研领域的一大热点。
超材料一般具有超常的物理性质，这也是它们能引起人们重视的原因。相对于传统的电磁学（包括光学）介质的正折射率，超材料可以实现负折射率，使得折射波和入射波在法线的同一侧。传统的力学材料一般具有正的泊松比，超材料可以实现负的泊松比，即材料受拉时横向变粗，材料受压时横向变细。传统的固体材料一般都具有杨氏模量和剪切模量，可以支持压力波和剪切波的传播，而五模超材料虽然是固体结构，但可以在一定的频率范围内只支持压力波的传播，不支持剪切波的传播，而且五模超材料同时可以实现各向异性，即沿不同的方向，性质也不同。通过超材料还可以实现具有特异功能的器件，比如在电磁学、光学、声学、力学、热学等领域都提出了隐身斗篷的概念，不同领域的隐身斗篷的设计不同，基本原理是使（电磁/ 声/ 热）场通过隐身斗篷绕过中间的障碍物，而对外界的场不产生任何影响，如同在均匀的介质中传播一样。这样，只在科幻电影或小说中存在的隐身衣，理论上是可以通过超材料来实现的。
由于超材料的种类繁多，要在一本书中将超材料的内容讲全是一件不可能的事；有些内容过于复杂，也不适合初学者。本书希望通过性质特殊的几个典型的研究方向，对超材料进行简单的介绍，希望能够向读者普及超材料的相关知识并引起读者对超材料的兴趣。由于篇幅有限，超材料领域的一些前沿课题没有收录在内，对于志在超材料领域的研究者，后续可以查找文献，了解该研究领域的最新动态。
书中部分研究成果是在国家自然科学基金（52001046）的资助下完成的，在此表示感谢。同时，感谢大连海事大学徐之遐星海副教授对本书的审阅及提出的宝贵意见，感谢研究生孙笑妹、肖子非、龚飞龙、孔越对本书的校对工作。
由于作者水平有限，如有表述不当之处，敬请广大读者批评指正。

本书通过对超材料领域的几个典型研究方向的讲解，对超材料的特点和应用做了一个简单的介绍。内容包括电磁隐身斗篷、负折射率超材料、光子晶体、电磁学超材料吸波体、声学隐身斗篷、声子晶体、负泊松比超材料、五模超材料、声学/力学超材料的加工方法及性能等。本书通过较为典型的模型和影响力较大的文献，结合个人的部分研究，对超材料中特征较为新奇、研究较为深入的几个方向进行了较为系统的阐述，旨在通过本书，能够使读者对超材料有一个直观的了解，也希望吸引更多的人投入到超材料的研究中。

李琦，美国匹兹堡大学机械工程专业博士，现为大连海事大学船舶与海洋工程学院副教授，多年从事超材料方向的研究工作，主持国家自然科学基金等项目3项，发表学术论文十余篇，是Smart Materials and Structures、Applied Physics Letters、International Journal of Mechanical Sciences等十余种国际期刊审稿人，国家自然科学基金评议人，学位与研究生教育发展中心论文评审专家，全国本科毕业论文（设计）抽检评审专家库专家，入选大连市本地全职高层次人才（青年才俊）和大连海事大学"星海工程"人才培育计划。

第1章　超材料简介 １
1.1 何为超材料　　3
1.2 超材料的分类　　6

第2章　光学/电磁学超材料 10
2.1 电磁隐身斗篷　　11
2.1.1 变换光学的原理　　12
2.1.2　电磁隐身斗篷的探究　　19
2.2 负折射率超材料　　26
2.2.1 何为折射率　　26
2.2.2 负折射率超材料结构与性能　　30
2.3 光子晶体　　38
2.3.1 光子晶体的带隙　　40
2.3.2 典型的光子晶体　　45
2.3.3 生活中的光子晶体　　52
2.4 电磁学超材料吸波体　　59
2.4.1 电磁学超材料吸波体的工作原理　　60
2.4.2 电磁学超材料吸波体的几种结构　　61
2.4.3 电磁学超材料吸波体的应用　　69

第3章　声学/力学超材料 73
3.1 声学隐身斗篷　　74
3.1.1 变换声学的原理　　76
3.1.2 层级结构超材料　　83
3.1.3 声学隐身斗篷的探究　　89
3.2 声子晶体　　104
3.2.1 声子晶体的带隙　　105
3.2.2 典型的声子晶体　　109
3.3 负泊松比超材料　　124
3.3.1 泊松比　　124
3.3.2 负泊松比超材料结构与性能　　128
3.4 五模超材料　　133
3.4.1 五模超材料概述　　134
3.4.2 五模超材料的等效性质　　147
3.4.3 五模超材料在声场中的模拟　　153
3.5 声学/力学超材料的加工方法　　156
3.5.1 水射流加工　　158
3.5.2 电火花线切割加工　　161
3.5.3 增材制造　　164

结语　　175

参考文献　　179

本书通过对超材料领域的几个典型研究方向的讲解，对超材料的特点和应用做了一个简单的介绍。内容包括电磁隐身斗篷、负折射率超材料、光子晶体、电磁学超材料吸波体、声学隐身斗篷、声子晶体、负泊松比超材料、五模超材料、声学/力学超材料的加工方法及性能等。本书通过较为典型的模型和影响力较大的文献，结合个人的部分研究，对超材料中特征较为新奇、研究较为深入的几个方向进行了较为系统的阐述，旨在通过本书，能够使读者对超材料有一个直观的了解，也希望吸引更多的人投入到超材料的研究中。

李琦，美国匹兹堡大学机械工程专业博士，现为大连海事大学船舶与海洋工程学院副教授，多年从事超材料方向的研究工作，主持国家自然科学基金等项目3项，发表学术论文十余篇，是Smart Materials and Structures、Applied Physics Letters、International Journal of Mechanical Sciences等十余种国际期刊审稿人，国家自然科学基金评议人，学位与研究生教育发展中心论文评审专家，全国本科毕业论文（设计）抽检评审专家库专家，入选大连市本地全职高层次人才（青年才俊）和大连海事大学"星海工程"人才培育计划。