PDC alati (polikristalni dijamantni kompozitni alati) posjeduju značajne prednosti u bušenju nafte, geološkim istraživanjima i visoko{0}}strojnoj -otpornosti na habanje zbog svog jedinstvenog principa dizajna-koji postižu sinergistički učinak supertvrdoće i dobre žilavosti kroz kompozitnu strukturu površinskog sloja polikristalnog dijamanta (PCD) i temeljnog cementnog karbida matrix. To im omogućuje održavanje učinkovitih sposobnosti rezanja i -razbijanja stijena u složenim i zahtjevnim radnim uvjetima. Ovaj dizajn nije jednostavno slaganje materijala, već pristup inženjeringa sustava koji se temelji na komplementarnim svojstvima materijala i funkcionalnoj podjeli. Njegov temeljni koncept leži u organskom kombiniranju ekstremne tvrdoće dijamanta s udarnom žilavošću cementnog karbida, prevladavajući ograničenja performansi jednog materijala u ekstremnim uvjetima.
Osnovna struktura PDC alata sastoji se od dva sloja materijala s različitim funkcijama: površinski sloj polikristalnog dijamanta i donja matrica od cementnog karbida. Površinski PCD sloj funkcionalno je područje alata za rezanje i-razbijanje stijena, a njegovo se načelo dizajna temelji na kristalnim svojstvima dijamanta. Dijamant, sastavljen od guste tro-dimenzionalne mreže atoma ugljika povezanih jakim kovalentnim vezama, može se pohvaliti tvrdoćom koja se približava onoj prirodnog dijamanta i otpornošću na habanje koja daleko premašuje onu konvencionalnog cementnog karbida i keramičkih materijala. Sinteriranjem na visokoj-temperaturi i visokom{6}}tlaku (HPHT), mikronski- ili submikronski-dijamantni prah skrućuje se u kontinuiranu polikristalnu strukturu. Ovaj postupak zadržava visoku tvrdoću jedno-kristalnog dijamanta dok istovremeno umanjuje krtost kroz mrežu granica zrna, što rezultira izvrsnom otpornošću na trošenje i ogrebotinama pri ravnom rezanju i rezanju stijena.
Načelo dizajna temeljne matrice od cementnog karbida usmjereno je na mehaničku potporu i apsorpciju energije udarca. Uobičajeno korištene legure volframa-kobalta (kao što je WC-Co) imaju visoku tlačnu čvrstoću i udarnu žilavost, učinkovito raspršuju i prenose mehanička opterećenja nastala tijekom rezanja, ublažavaju trenutni udar stijene ili izratka na sloj dijamanta i sprječavaju površinsko pucanje ili ljuštenje zbog pretjerane lomljivosti. Kobalt (Co) djeluje kao vezivna faza u matrici, a njegov sadržaj izravno utječe na ravnotežu između žilavosti i tvrdoće: visok sadržaj kobalta povećava žilavost kako bi se nosila s jakim udarnim uvjetima, dok nizak sadržaj kobalta povećava tvrdoću kako bi se zadovoljili zahtjevi otpornosti na habanje pod stabilnim opterećenjima. Ova "kruta-fleksibilna" dvo-slojna struktura omogućuje PDC alatima učinkovito uklanjanje materijala u kontinuiranom rezanju uz održavanje strukturalnog integriteta u okruženjima s povremenim udarima.
Dizajn faze povezivanja ključan je za povezivanje dvaju slojeva i postizanje sinergijskog učinka. Tijekom procesa pripreme PCD sloja potrebno je uvesti odgovarajuću količinu vezne faze kako bi se pospješilo metalurško vezivanje između čestica dijamanta. Konvencionalne faze vezivanja često su prijelazni metali kao što su kobalt i nikal, ali oni imaju određeni katalitički učinak grafitizacije, što ograničava rad alata na visokim-temperaturama. Stoga, za visoke-temperature, velike-brzine ili jake uvjete toplinskog udara, moderni dizajn PDC alata nastoji koristiti niske-katalitičke-aktivnosti ili ne-metalne vezne faze (kao što su silicidi, boridi i karbidi). Ove faze vezivanja osiguravaju snagu vezivanja između zrnaca i potiskuju transformaciju faze dijamanta-u-grafit, značajno poboljšavajući toplinsku stabilnost i otpornost na oksidaciju, omogućujući alatu da održi stabilnost dijamantne faze iznad 700 stupnjeva.
Nadalje, geometrijski dizajn alata također prati mehanizme rezanja i-lomljenja stijena. Odabir oblika krune (npr. ravni vrh, zaobljeni vrh, stožasti vrh), nagibnog kuta i slobodnog kuta reznih zuba potrebno je optimizirati na temelju mehaničkih svojstava ciljanog materijala i metode uklanjanja. Na primjer, zaobljeni gornji profil zuba može osigurati kontinuiraniju putanju smicanja i smanjiti udarno opterećenje; razuman dizajn kuta nagiba može uravnotežiti snagu rezanja i učinkovitost uklanjanja strugotine, sprječavajući začepljenje strugotine ili troske. Oblik i raspodjela žljebova za evakuaciju strugotine utječu na glatkoću uklanjanja strugotine i izbjegavaju sekundarno brušenje i trošenje dijamantnog sloja.
Ukratko, načelo dizajna PDC alata utjelovljuje sustavni pristup "funkcionalnog nanošenja slojeva-komplementarnosti materijala-strukturalne optimizacije": površinski dijamantni sloj odgovoran je za ultra{2}}tvrdo i habanje-otporno rezanje, temeljni cementni karbid pruža podršku žilavosti i prigušivanje udarca, fazna optimizacija postiže toplinsku stabilnost i snažno spajanje, i geometrijska struktura odgovara reznom mehanizmu. Ovaj više-dimenzionalni kolaborativni dizajn omogućuje PDC alatima da kombiniraju visoku učinkovitost, izdržljivost i pouzdanost u ekstremnim radnim uvjetima, postajući ključno rješenje za probijanje uskih grla u izvedbi tradicionalnih alata i postavljanje teoretskih temelja za njihovu primjenu u širem rasponu područja.
