项目负责人：张宗正

项目名称：基于海胆牙微观结构形态的仿生自锐钻头齿研究

项目研究目标：

针对孕镶金刚石钻头在复杂地层适应性差，切削齿崩损严重等问题，引入仿生学原理，通过研究海胆牙的微观结构特征及增韧原理，建立相应的物理模型，并将其与物理力学性能相联系建立相应的关系式，结合有限元分析的方法进行分析优化，借此开展钻头材料及结构的仿生耐磨提效的设计及制备工作，随后开展实验验证，最终实现高韧性，高硬度，对地层适应性好的的钻头设计。

项目拟解决的关键科学问题：

① 明确生物原型海胆牙齿的增韧自锐机理

选择合适的生物原型并结合相应的研究实验测试平台及可视化观测分析系统对仿生生物原型进行微观结构观察，重点观察其结构特征，最终对所得出的微观结构-力学性能关系式进行验证，进而探究出海胆牙齿增韧自锐机理。

② 揭示仿生复合物质界面在其磨损状态下的界面结合力等特性与自锐自修复机理的内在关系

结合海胆牙齿自锐机理与数值模拟优化结果，设计仿生自锐齿单元胎体结构，并进行试块性能测试及室内微钻实验进而来验证仿生结构的合理性。

项目创新点：

① 揭示仿生材料力学特性、微观形态结构解析关系，对仿生新材料设计和发展建立新理论

针对目前钻头材料在增加韧性的同时，强度会有所下降的问题，通过研究海胆牙齿微观结构增韧及自锐机理，旨在利用微观结构与力学性能变化的关系式从而来为新材料设计和发展建立新理论。

② 探索仿生材料微观形态结构与其力学特性的简单的解析关系并将其应用在现今钻头复合材料设计中

针对目前钻头地层适应性差的问题，引入仿生学原理，旨在利用微观结构变化提高钻头强度与地层适应性。

技术路线图