综述：多物理场超材料在多样化物理场统一控制中的应用

本综述系统阐述多物理场超材料（Multiphysics Metamaterials）在电磁（EM）、声学（AC）、热（TH）及静电场（ES）等跨领域协同调控中的突破性进展。通过单一人造结构实现多物理场兼容控制，解决了复杂系统中功能集成难题，为下一代超紧凑多功能平台（如双波隐身、肿瘤无创治疗、芯片热管理-电磁兼容一体化）提供革命性设计范式，标志着超材料研究从单物理场向多物理场耦合的战略转型。

　　

多物理场超材料的分类与设计原理

多物理场超材料根据调控物理场的本征方程分为三类：扩散型超材料（控制遵循拉普拉斯方程的静态场，如热传导和静电场）、波动型超材料（控制遵循亥姆霍兹方程的波场，如电磁波和声波）以及混合型超材料（同时调控波动和扩散现象）。其核心设计理念是通过单一人工结构实现多物理场功能集成，突破传统材料仅针对单一物理场的局限性。

扩散型超材料：热-电场协同控制

扩散型超材料利用维德曼-弗朗兹定律（Wiedemann-Franz law）中热导率与电导率的天然关联，通过坐标变换、拉普拉斯方程求解和拓扑优化等方法，实现热场与静电场的同步操控。例如：

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  相同功能设计：采用各向异性复合材料同时实现热-电双场隐身（cloaking）或聚焦（concentrating），如硅壳层包裹空气腔的结构可在背景场中消除散射。

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  异功能设计：通过背景介质选择或拓扑优化打破材料参数关联，实现热隐身与电聚焦的交叉功能，如碳化硅背景中嵌入铝/氮化铝扇形结构可同时实现热隐身和电聚焦。

此类材料在芯片热管理、能量回收系统中具有应用潜力，但当前研究仍集中于热-电场调控，且异功能设计多停留在理论阶段。

波动型超材料：电磁-声波联合操纵

波动型超材料通过结构杂交、统一设计法和优化算法实现电磁波与声波的同步控制：

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  结构杂交：独立设计电磁与声学功能层（如石墨烯膜用于电磁屏蔽，多孔结构用于吸声），集成后实现双功能器件，如同时具备>74 dB电磁屏蔽效率和25 dB声学隔声性能的复合结构。

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  统一设计法：利用金属-空气结构对横磁（TM）极化电磁波和声波满足相同的诺伊曼边界条件，实现双波隐身、编码超表面波束调控等功能。例如金属板阵列构成的零折射率介质可同时引导电磁波和声波。

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  拓扑优化：通过多学科优化算法设计可同时操控双极化电磁波和声波的结构，但复杂几何形状制约了实验验证。

此类材料在双波隐身（雷达与声纳）、城市电磁/声污染治理和生物医学（超声-微波协同肿瘤治疗）中价值显著。

混合型超材料：波-扩散场跨界融合

混合型超材料整合波动与扩散现象，主要涵盖电磁-热场和声-静磁场调控：

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  电磁-热场控制：通过液晶分子取向调控实现光波聚焦与热流扩散的切换功能，或利用金属-膨胀聚苯乙烯（EPS）板阵列构成电磁-热零折射介质，实现热流与电磁波的同步定向投射。例如铜/EPS交错结构可同时实现电磁隐身和热管理，将芯片热点温度梯度从>5°C降至<0.5°C。

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  声-静磁场控制：采用三层圆柱结构（声学超表面、铁磁介质层和黄铜接地层）同时实现声波吸收和静磁场隐身，水下实验显示磁场扰动率<0.5%且声吸收率达96%。

此类材料在智能医疗（MRI兼容植入体）、工业检测和潜艇隐身领域应用前景广阔。

技术挑战与未来方向

当前多物理场超材料面临三大挑战：

1. 1.

   材料局限性：自然材料参数关联（如维德曼-弗朗兹定律）制约异功能设计，需开发主动超材料或时空调制策略；

2. 2.

   功能单一性：混合型超材料功能多以屏蔽/吸收为主，缺乏复杂功能集成；

3. 3.

   极化约束：波动型设计多限于TM极化电磁波，拓扑优化与人工智能设计有望突破该限制。

未来研究将向多物理场扩展（如弹性波、化学梯度场）、功能定制化（可编程幻象器件）、多场协同（电磁-声-热-电四场调控）和智能设计（AI逆向设计）方向发展，推动超材料在极端环境设备、生物医学工程和能源系统中的革命性应用。