一，吸波材料综述
隐身技术是通过控制和降低军事目标的可探测信号特征，使其难以被发现，识别，跟踪和打击的一种现代军事技术，按照使用的探测波来分，隐身技术可分为可见光隐身技术，雷达隐身技术，红外隐身技术，激光隐身技术等。雷达作为探测军事目标的最可靠手段，使用比例超过60%以上，因此隐身技术的研究以雷达隐身技术为基础和重点，向多功能，高性能的隐身方向发展。
雷达隐身技术的关键在于设法降低目标的雷达散射截面积，其主要手段为外形隐身和材料隐身两种，材料隐身是指在飞行器上大量使用吸波材料。吸波材料（Electromagnetic wave Absorbing Materials），是指能够吸收衰减入射的电磁波并通过吸收剂的介电振荡、涡流以及磁致伸缩等效应，将电磁能转化成热能而耗散掉，或使电磁波因干涉而消失的一类功能材料。
根据不同标准，吸波材料的分类并不相同。按照吸波材料成型工艺和承载能力不同，可分为涂覆型吸波材料和结构型吸波材料；按照吸波原理不同，可以分为吸收型和干涉型两类。
二，纳米碳纤维用于吸波材料
随着隐身技术对吸波材料性能要求的提高，研制和开发新型的吸收剂已成为吸波材料研究的重点。新一代隐身武器装备的研制，对吸波材料的厚度、密度、吸波频带、吸波性能提出了越来越高的要求。传统的吸收剂已不能满足这种需求，必须寻找新的吸收剂。
就吸波材料的发展来看，纤维类吸波材料具有独特的形状各向异性和机械性能，是一类很有发展前景的吸波材料。目前常用作吸收剂的纤维有碳纤维、碳化硅纤维和磁性金属纤维等，其中碳纤维不但能作结构吸波材料，其短纤维还能作为涂覆型吸波材料的吸收剂；与碳化硅纤维相比，碳纤维具有密度低的优势，因此应用十分广泛。
纳米碳纤维是指气相生长的50～200 nm碳纤维，它不仅具有一般气相生长碳纤维的低密度、高比模量、高比强度和高导电性等特性，而且有缺陷少、比表面积大、导电性能佳，以及结构致密等优点，因此既是电损耗型材料，同时又能作为磁损耗型材料，可制备成涂覆型和结构型材料或高性能的结构吸波材料，同时还是一种较好的微波吸收和电磁屏蔽材料。
图1 纳米碳纤维微份
图2 纳米碳纤维SEM照片
三，螺旋状纳米碳纤维用于吸波材料
螺旋形是以乙炔、乙烯、甲烷、丙稀、苯等作为碳源，以Ni，W，Ti，Fe，Co，Mo等过渡金属元素粉体和极板及其化合物为催化剂制备而成的。工艺参数不同，制成的螺旋形纳米碳纤维形态也不同。
螺旋状纳米碳纤维是一种典型的手性材料。手性是以物体与它的镜像之间不存在几何对称性，且不能通过任何操作使物体与镜像相重合。具有手征结构的手性材料的最大特点是具有电磁场的交叉极化性能，也就是说，交变的电场不仅能引起材料的电极化而且能引起材料的磁化。手性材料是一种新型电磁功能材料，它是在某种基底材料中均匀地掺入随机取向手性体合成的。与普通电磁材料相比，手性材料的一个重要性质是能引起电场与磁场的交叉极化，可以作为吸波材料使用。
此外，由于螺旋状纳米碳纤维的微观结构与以石墨晶体为主的纳米碳管不同，其晶粒尺寸具有一定的分布范围，对应电磁波有很宽的共振匹配频率，产生具有宽频的效果；比表面积大，表面原子有较高的活性，很容易吸收电磁波的能量到激发态，然后发生跃迁，以其他方式释放能量；尤其是螺旋状纳米碳纤维本身的手性螺旋扭曲的特点，是表面原子更容易受到激发，所以螺旋状纳米碳纤维的吸波性能比纳米碳管和普通纤维要高。综合以上条件，螺旋状纳米碳纤维是一种十分优异的吸波材料。
总之，螺旋状纳米碳纤维作为新型的手性吸波材料，已经表现出一定的优越性，更好的以螺旋状纳米碳纤维为吸波材料来实现雷达隐身技术的目标是当今的主要任务。
四，螺旋状纳米碳纤维的制备
1）制备
在CVD法中，纳米级超细Ni颗粒可以有效的发挥过渡族金属的作用，使碳氢化合物发生高温裂解制备出较纯净螺旋状纳米碳纤维。由于气相生长螺旋状纳米碳纤维生长过程比较复杂，其生长形貌也有很大差异。
用CVD法制备的规则形态的螺旋状纳米碳纤维，可以观察到有：单螺旋状纳米碳纤维和双螺旋状纳米碳纤维。其中双螺旋状纳米碳纤维是由两根纤维以相同的旋向、相同的生长速率相互缠绕而成，其形态类似DNA分子的双螺旋结构。
实验室阶段的螺旋状纳米碳纤维的制备可采用以下方法：
碳源：工业乙炔，分子式C2H2；
催化剂：纳米级超细镍粉，粒度为30～200nm之间；
生长促进剂：噻吩，化学纯，分子式：C4H4S，易挥发性液体；
载气：高纯氢，纯度大于99.999%；
保护气：氮气；
管式电炉：型号LY-1型，热电偶卧式检定炉；
智能控温仪：HN-2000型精密智能控温仪。
实验详细参数确定如下：
① 基体（或基片），基体一般为石墨片；
② 碳源，乙炔分解效果最好、效率最高，在此采用乙炔作为碳源，流量约为37.5ml/min；
③ 载气为氢气，流量约为62.5ml/min；
④ 催化剂，催化剂种类很多，但只有以镍粉做催化剂时才能制备出螺旋状纳米碳纤维；⑤ 含硫化合物作为生长促进剂，如噻吩等；
⑥ 反应温度，一般反应温度在1008K左右；
⑦ 反应时间，依照不同基体而有所不同，一般为30min。
2）表征
用扫描电子显微镜（SEM）分析螺旋状纳米碳纤维的形貌和纯度；
用拉曼（Raman）光谱分析对螺旋状纳米碳纤维进行结构表征；
用X-射线衍射谱图进行定性物相分析。
五，纳米碳纤维吸波材料的制备及吸波性能测试
吸波材料性能测试技术是雷达吸波材料必不可少的研究手段，雷达吸波材料性能测试方法主要包括吸收剂电磁参数测量和吸波材料反射率测量。除此之外，密度、稳定性以及价格等也是衡量吸波材料性能的重要参数。
雷达吸波材料一旦设计和制造出来，就需要对其进行测试鉴定，以确定吸波材料是否达到设计指标要求。雷达吸波材料的性能主要用反射率表示。适用的测试方法有NRL弓形法、RCS法等。测试系统按照人们的需要来确定测试的频段，一般在GHz以上，典型的是2～18GHz，更低的会在几百MHz，更高的甚至达到40.110GHz。
结构型隐身材料基本为复合材料，选取环氧树脂为基体，将制备的碳纤维均匀研磨，经标准筛过滤筛选后，均匀的分散至环氧树脂中制备成为复合材料，以测试其吸波性能。
为了提高实验的科学性，首先应测试吸波材料在X波段的电磁参数，并通过计算机编程来模拟复合材料在该波段的吸波性能。在此基础上制备单层结构型吸波材料，并对其吸波性能进行测试。
1） 纳米碳纤维/环氧树脂波导样品的制备
称取一定质量的纳米碳纤维，加入环氧树脂中，在室温下机械搅拌使其充分混合均匀。然后向其加入分散剂，固化剂和消泡剂，经过超声分散后，置于模具中，在常温下固化6小时，将样品取出后进行适当打磨，即得到碳纤维/环氧树脂复合材料X波段电磁参数测试标准样品。其规格为：长22.86mm，宽l0.16mm，高4mm。具体流程如图1所示：
图3 纳米碳纤维/环氧树脂波导样品的制备流程
将制备好的纳米碳纤维/环氧树脂波导样品，使用矢量网络分析仪，采用反射-传输网络参数法间接测量材料的电磁参数，测量范围：8～12GHz。测量系统如图2所示：
图4 X波段电磁参数测试系统示意图
使用计算机程序进行模拟计算，得出单层结构吸波材料的最佳厚度。（模拟过程略）
1） 参照计算机模拟结果，制备纳米碳纤维单层结构吸波材料
按照上述方法制备纳米碳纤维/环氧树脂混合物。在实验台上水平放置玻璃平板，玻璃平板表面覆盖有机硅脱模纸。加入相应混合均匀的碳纤维/环氧树脂混合物，铺设玻璃纤维布，重复上述两步骤直至复合材料到达所需厚度。再覆盖一张有机硅脱模纸，最后加盖玻璃平板并施加IMPa的压力，在室温下固化成型24小时。根据测试标准GJB2038-94规定，将试样加工成面积为180mm×180mm的正方形试样。
2） 反射率（吸波性能）测试
将制备好的复合材料，使用矢量网络分析仪，采用弓形法进行反射率测试。测量范围：2～18GHz，测量系统原理如图3所示：
图5 反射率弓形法测试原理图
六，存在的问题
碳纤维用于吸波材料，具有承载和减小雷达波反射截面的双重功能，是一种非常有发展前途的吸波材料。
尽管碳纤维的研究取得了很大的进展，但远未达到隐身技术对吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。现阶段碳纤维吸波材料的吸波频带还局限在8～18GHz，且吸波材料的厚度在3mm以上，还有很大的改进潜力。目前吸波碳纤维正朝着两个方向发展：一是向宽带化方向发展，使碳纤维可以在较宽的频率范围内起到吸收作用；二是针对某一频段或频点，在此频段达到很高的吸收效果；而薄型和轻量是这两个发展方向所共同追求的目标。
因螺旋的几何结构以及与电磁波相互作用时由电与磁耦合而产生的交叉极化，螺旋形手征可能成为性能良好的吸波材料。
