1。尽可能高的韧性,或者尽可能高的弹性模量
2。尽可能长的纤维
3。尽量高的细密度
从这上面来看,丝绸纤维无疑是一种很好的选择,其纤维长度极长,一个蚕茧能拉出长度800米的蚕丝,其韧性也是凯夫拉材料被发明前首屈一指的。而优质的棉花纤维长度能够达到半米,这已经很不错了。其强度绝对没办法和蚕丝相媲美,这是无庸质疑的。但是他有一个优点——弹性模量大。也就是说,棉纤维在被拉断的时候会所吸收很大的能量。这也是现代碳纤维材料吸收子弹能量的方法——和凯夫拉材料不一样的是,碳纤维在遇到子弹冲击之后将断裂,利用自身的断裂吸收子弹的能量。虽然这和高强高模量的丝绸是有一些差距,但是棉纤维在吸水之后防御力反而会因重量增加而增加,而且价格比丝绸低得多。而动物毛如羊毛等则介于两者之间——纤维最短,强度比棉花高,但比不上丝绸,韧性比较差,但是弹性模量大。
但是纤维构成的软质装甲有一个天生的缺陷——纤维的各向异性。在电子显微镜下,纤维的分子结构是由一条条的蛋白质链构成的,这些蛋白质链具有高能量的的分子键,所以要拉断一条蛋白质链必须耗费相当大的能量,但是这种链式结构有一个致命的弱点——只要从中间利用机械力量割过去,只需要打破最少量的分子键就能切断蛋白链。反映在宏观上,就是所有的纤维虽然都有相当优良的抗拉性,但在切割性的力量面前却显得非常脆弱,如果遇到劈砍性的攻击,很容易就会被划开。即使是凯夫拉材料,在遇到切割的时候防御力也大不如金属。而另外一个问题是,柔软的绵甲虽然能分散冲力,但在遇到大强度的冲击力时却无法避免地会将力量传递给后面的身体,在遇到如锤、棍一类的武器时,防御效果也不理想。
那有没有两全其美的办法呢?从现代材料工程学上来讲,一个比较可行的办法就是纤维玻璃钢——将高弹性模量而脆的玻璃纤维混合进高韧性的环氧树脂内,利用强韧的胶状环氧树脂将玻璃纤维结合在一起,即使遇到切削性的外力也很难变形。便可以制作成既强韧又坚固的玻璃钢。这种轻巧、坚固而又有相当可塑性的刚性材料是建造小型船只和棚顶的优良材料。
其实纸甲的原理和玻璃钢的原理是非常相似的——利用富含胶原蛋白的纸浆将纤维结合在一起构成一个整体,就象钢筋混凝土一样,既强又韧,而且有固定的形状,只要能拥有足够的厚度和密度,无论棍棒、刀剑还是箭矢的攻击都能有效地得到防御。
在此必须讨论一下这种纸甲的制造材料和工艺了。后世的纸甲一般都说是绵纸甲,也就是说它采用的是棉纤维。但是我们知道棉花在宋朝才开始在中国种植,也就是说,在刚开始使用纸甲的唐朝,采用的纤维材料绝对不可能是棉。也就是说,早期的纸甲和后期的纸甲使用的材料与工艺是不一样的。
那唐朝的纸甲使用的是什么材料呢?从当时能够选择的材料来看,强度最大的纤维无疑会是丝绸。丝绸的韧性是非常之好的,在高强度尼龙被发明之前,丝绸一直是我们能找到的最高强度的纤维我们大概可以判断出,唐代的纸甲材料应该就是和丝绸相同材质的茧纸——一种利用蚕篦(就是晒丝的时候,在竹篦上残留的蚕丝纤维所形成成的一层类似纸的薄膜,其成分和丝绸基本相同)为材料,添加了其他纤维所制造的高强度的纸。用多层的茧纸制造出来的纸甲,相信其强度会是非常可观的。而浆硬的纸甲其形状和硬度也会有相当的水平。相信在抵抗远程武器时,效果不会比钢甲差,但是比钢甲更轻便。而在棉花大量种植之后,低廉的棉花成为了丝绸的最佳替代品,后世选择的纸甲材料多数都采用浆硬的多层棉纤维纸作主要的材料。而因为在宋朝时南方是棉的主要种植产区,所以这些纸甲的生产主要是由南方完成。
2。尽可能长的纤维
3。尽量高的细密度
从这上面来看,丝绸纤维无疑是一种很好的选择,其纤维长度极长,一个蚕茧能拉出长度800米的蚕丝,其韧性也是凯夫拉材料被发明前首屈一指的。而优质的棉花纤维长度能够达到半米,这已经很不错了。其强度绝对没办法和蚕丝相媲美,这是无庸质疑的。但是他有一个优点——弹性模量大。也就是说,棉纤维在被拉断的时候会所吸收很大的能量。这也是现代碳纤维材料吸收子弹能量的方法——和凯夫拉材料不一样的是,碳纤维在遇到子弹冲击之后将断裂,利用自身的断裂吸收子弹的能量。虽然这和高强高模量的丝绸是有一些差距,但是棉纤维在吸水之后防御力反而会因重量增加而增加,而且价格比丝绸低得多。而动物毛如羊毛等则介于两者之间——纤维最短,强度比棉花高,但比不上丝绸,韧性比较差,但是弹性模量大。
但是纤维构成的软质装甲有一个天生的缺陷——纤维的各向异性。在电子显微镜下,纤维的分子结构是由一条条的蛋白质链构成的,这些蛋白质链具有高能量的的分子键,所以要拉断一条蛋白质链必须耗费相当大的能量,但是这种链式结构有一个致命的弱点——只要从中间利用机械力量割过去,只需要打破最少量的分子键就能切断蛋白链。反映在宏观上,就是所有的纤维虽然都有相当优良的抗拉性,但在切割性的力量面前却显得非常脆弱,如果遇到劈砍性的攻击,很容易就会被划开。即使是凯夫拉材料,在遇到切割的时候防御力也大不如金属。而另外一个问题是,柔软的绵甲虽然能分散冲力,但在遇到大强度的冲击力时却无法避免地会将力量传递给后面的身体,在遇到如锤、棍一类的武器时,防御效果也不理想。
那有没有两全其美的办法呢?从现代材料工程学上来讲,一个比较可行的办法就是纤维玻璃钢——将高弹性模量而脆的玻璃纤维混合进高韧性的环氧树脂内,利用强韧的胶状环氧树脂将玻璃纤维结合在一起,即使遇到切削性的外力也很难变形。便可以制作成既强韧又坚固的玻璃钢。这种轻巧、坚固而又有相当可塑性的刚性材料是建造小型船只和棚顶的优良材料。
其实纸甲的原理和玻璃钢的原理是非常相似的——利用富含胶原蛋白的纸浆将纤维结合在一起构成一个整体,就象钢筋混凝土一样,既强又韧,而且有固定的形状,只要能拥有足够的厚度和密度,无论棍棒、刀剑还是箭矢的攻击都能有效地得到防御。
在此必须讨论一下这种纸甲的制造材料和工艺了。后世的纸甲一般都说是绵纸甲,也就是说它采用的是棉纤维。但是我们知道棉花在宋朝才开始在中国种植,也就是说,在刚开始使用纸甲的唐朝,采用的纤维材料绝对不可能是棉。也就是说,早期的纸甲和后期的纸甲使用的材料与工艺是不一样的。
那唐朝的纸甲使用的是什么材料呢?从当时能够选择的材料来看,强度最大的纤维无疑会是丝绸。丝绸的韧性是非常之好的,在高强度尼龙被发明之前,丝绸一直是我们能找到的最高强度的纤维我们大概可以判断出,唐代的纸甲材料应该就是和丝绸相同材质的茧纸——一种利用蚕篦(就是晒丝的时候,在竹篦上残留的蚕丝纤维所形成成的一层类似纸的薄膜,其成分和丝绸基本相同)为材料,添加了其他纤维所制造的高强度的纸。用多层的茧纸制造出来的纸甲,相信其强度会是非常可观的。而浆硬的纸甲其形状和硬度也会有相当的水平。相信在抵抗远程武器时,效果不会比钢甲差,但是比钢甲更轻便。而在棉花大量种植之后,低廉的棉花成为了丝绸的最佳替代品,后世选择的纸甲材料多数都采用浆硬的多层棉纤维纸作主要的材料。而因为在宋朝时南方是棉的主要种植产区,所以这些纸甲的生产主要是由南方完成。