随着电动汽车产业的快速发展，汽车行业对轻量化、高能量吸收且环境友好型材料的需求日益迫切。传统金属结构如铝合金管件虽具备良好的能量吸收能力，但其较高密度限制了在重量敏感场景中的应用。此外，合成复合材料如碳纤维存在回收困难，而纯天然纤维复合材料则因脆性断裂和较低的能量吸收效率难以满足现代碰撞安全标准。因此，开发兼具轻量化、高耐撞性及可持续性的新型材料-结构一体化解决方案成为当前研究的重点难点。
为解决相关问题，卡塔尔大学、德国汉诺威莱布尼茨大学结构分析研究所、苏丹科技大学的研究团队在Composite Structures期刊发表了相关研究成果，该研究通过将黄麻/玻璃纤维混杂复合材料与仿生BCC点阵结构相结合，成功开发出一种兼具轻量化、高能量吸收效率及环境友好性的耐撞结构，为电动汽车等运输工具的轻量化安全设计提供了新方案。论文标题为”Bio-inspired BCC lattice structures with hybrid composites for lightweight crashworthy applications”。
该研究受自然界中体心立方晶体结构的启发，设计了两种BCC点阵构型：BCC-A（中心环完整）和BCC-B（中心环带四道对称切口）。材料体系涵盖铝合金、纯黄麻纤维/环氧树脂复合材料以及玻璃纤维/黄麻纤维混杂复合材料。复合材料层板采用树脂传递模塑工艺制造，并通过水射流切割精确成型为点阵结构。通过准静态轴向压缩试验，系统评估了能量吸收、比能量吸收、初始峰值力及压溃力效率等关键性能指标。
图1 BCC晶体结构的设计灵感来源
图2 纯黄麻与混杂玻璃/黄麻环氧复合材料层板的制备过程
研究表明，几何构型与材料组合对结构耐撞性具有显著影响。铝合金结构表现出最高的比能量吸收值，BCC-B-AL达到0.41 J/g，但其高密度限制了轻量化潜力。纯黄麻复合材料因脆性破坏导致能量吸收能力最低，BCC-B-JT的SEA仅为0.20 J/g。相比之下，混杂复合材料展现出更优的综合性能，其中BCC-B-HD构型的SEA达到0.29 J/g，较未切口的BCC-A-HD提升约26%。
图3 准静态压缩试验的最终切割结构
图4 铝构型在准静态压缩下的压溃行为
图5 纯黄麻纤维环氧构型在准静态压缩下的压溃行为
图6 混杂玻璃/黄麻环氧构型在准静态压缩下的压溃行为
文章总结了仿生BCC点阵结构在铝、黄麻及混杂玻璃/黄麻复合材料中的耐撞性能。几何改性（中心环切口）显著提升了复合材料的比能量吸收，其中混杂复合材料BCC-B-HD的SEA达到0.29 J/g，较未切口版本提高26%。尽管铝合金在绝对性能上仍占优，但其高密度不利于轻量化；而混杂复合材料在重量减轻近四倍的前提下，仍能提供可接受的耐撞性，并兼具可持续性优势。该研究为交通领域的绿色材料-结构一体化设计提供了重要理论与实践依据，推动了轻量化与安全性的协同发展。
原始文献：
Mahdi, E., Samim, S., & Dean, A. (2025). Bio-inspired BCC lattice structures with hybrid composites for lightweight crashworthy applications. *Composite Structures*.
原文链接：
https:///10.1016/j.compstruct.2025.119792