自然靈感的材料可用于從隧道到太空的各種應用

隧道掘進機(TBM)切削工具的最佳材料是在最近完成的為期三年的項目“用于軟地面隧道掘進機的創(chuàng)新型多晶金剛石(PDC)刮刀鉆頭”中由摩托車和回收集團的TalTech材料科學家開發(fā)的。

隧道掘進機的歷史可以追溯到200年前第一條隧道建成時。通常，與磨料顆粒接觸的TBM 材料可分為金屬，陶瓷和組合它們的材料，即復合材料。復合材料通常在腐蝕性環(huán)境中具有最高的耐磨性。“我們正在努力提高TBM移動元件材料的耐磨性，復合材料是進一步開發(fā)的正確選擇，”摩擦學和工程學院高級研究員摩擦學安東諾夫的摩擦學和回收研究組負責人解釋道。

在研究期間進行的測試遵循主要目標 - 延長TBM切割工具的使用壽命，以最大限度地減少更換的需要。由耐磨性較高的材料制成的工具可以不經常更換。

“替換TBM的易損件，即切割工具或刮刀，是一項復雜，昂貴且危險的任務.TBM具有巨大的尺寸：其直徑可達18米，而長度可達130米，軟地面TBM的工作區(qū)域經常處于高壓狀態(tài)。這使得切割工具的維修或更換變得非常危險，并且必須盡可能少地進行，并且如果由機器人完成則更好“安東諾夫解釋道。

如今，TBM最常見的工作是建設地鐵。地鐵通常用于往往在河流附近建造的大城市。河流周圍的地面由沉積巖，沙子和粘土組成。砂，粘土和沉積巖層交替的這種地面的不均勻性使得隧道的建造變得復雜。這種侵蝕性條件意味著額外的挑戰(zhàn)并且增加了對TBM切削工具的更好耐磨性的需求。

上述隧道技術可用于廣泛的應用 - 它可用于通過建造大型隧道或地鐵的非開挖方法在地下安裝水管或電纜。非開挖方法在城市條件下特別有利，因為地面可以被移除并且所需的基礎設施幾乎可以完全沒有溝槽安裝，從而可以避免對建筑物和道路的損壞。例如，近年來在意大利羅馬斗獸場附近開展了此類工程，并采取了重大措施以避免對文化遺產地造成任何損害。

馬克西姆安東諾夫：“通過分析鼴鼠皮，魚鱗和硅藻化石的結構，我們從大自然中獲得了很多靈感。在我們的最終設計中，我們試圖實施金剛石，立方氮化硼，鎢或碳化鈦粉末作為我們復合材料的增強材料，我們使用3D打印或工業(yè)金剛石線。“

由于使用了3??D打印的選擇性激光熔化技術，我們能夠獲得梯度復合材料(其中所需材料可以添加到特定位置)和變形高達10倍的材料。傳統(tǒng)陶瓷材料。

由于新技術的實施，我們能夠獲得特定的梯度復合材料和可稱為彈性金剛石的材料，我們對切削刀具或TBM的其他關鍵部件進行了前瞻性考慮。此外，我們確認通過調整接觸表面的微觀形貌(通過3D打印)，可以獲得具有令人難以置信的低且穩(wěn)定的摩擦的材料。“這些材料可以應用于從挖掘地面到NASA太空設備的各個領域，”馬克西姆安東諾夫解釋說。