根据我国《“十三五”国家科技创新规划》并面向2030年开展的中长期布局中提到的“深空、深海、深地、深蓝”四深战略,针对“深地”战略需求,提高地下岩土钻进技术水平迫在眉睫。作为钻探的“先锋”,钻头的碎岩效率和工作寿命至关重要,因此,高效率长寿命钻头的研究意义重大。本文在已有仿生孕镶金刚石钻头和工作层胎体配方及烧结工艺的研究基础上,开展了以自然界土壤动物中的穿山甲前爪趾和蝼蛄前爪趾为生物原型,从爪趾结构的描述、细节的测量和对比分析,仿爪趾钻头与岩石接触的受力特征和对比分析,到钻头室内外钻进试验等全面、系统的理论分析和试验研究,取得了理想的效果。具体研究内容及结论如下:(1)分析了穿山甲、鼹鼠和蝼蛄的爪趾特征。通过对这些土壤动物前爪趾的描述、掘土特征和结构细节测量,发现了土壤动物的爪趾结构具有如下共同特征,即它们的前爪趾中间趾的角度最小,依次向两侧逐渐变大;爪趾中间趾的长度最长,依次向两侧逐渐变短;也发现了土壤动物的爪趾结构的差异,即穿山甲前爪趾最为灵活,活动的自由度大,其各趾的结构差别最大,其次是鼹鼠,蝼蛄前爪趾灵活性最差,自由度最小。(2)有限元对比分析了仿穿山甲、仿蝼蛄和常规平底孕镶金刚石钻头与岩石接触受力状态,得出了有高度差的仿生孕镶金刚石钻头的内环齿单元受力较外环齿单元大的特点。具体为平底形钻头受力均匀,说明其工作层耐磨性较强,但碎岩能力较弱;仿穿山甲爪趾钻头的应力集中,说明其工作层攻击性强、碎岩效率高,但其耐磨性不高;仿蝼蛄爪趾钻头的应力集中区域更多,说明其工作层的碎岩效率较高,但耐磨性将有所下降。(3)进行了大量的室内和野外试验,得出了仿蝼蛄爪趾钻头更有利于破碎岩石。通过室内外钻进试验和数据分析,发现穿山甲爪趾钻头的效率很高,但寿命太短;仿蝼蛄爪趾钻头寿命下降不多,但效率提高较高。(4)研制了高工作层胎体的仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头,设计完成了现有胎体配方及烧结工艺能够实现的超高工作层胎体的仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头。