PDC alati (polikristalni dijamantski kompozitni alati) posjeduju značajne prednosti u bušenju nafte, geološkim istraživanjima i visokoj-otpornoj-obradi na habanje zbog svog jedinstvenog principa dizajna-postižući sinergistički efekat supertvrdoće i dobre žilavosti kroz kompozitnu strukturu površinskog polikristalnog polikristalnog sloja cementa i dijamantskog polikristalnog sloja (Cement) matrix.Ovo im omogućava da održe efikasne sposobnosti rezanja i{4}}razbijanja kamena u složenim i zahtjevnim radnim uvjetima. Ovaj dizajn nije jednostavno slaganje materijala, već pristup sistemskog inženjeringa zasnovan na komplementarnim svojstvima materijala i funkcionalnoj podjeli. Njegov osnovni koncept leži u organskom kombinovanju ekstremne tvrdoće dijamanta sa udarnom žilavošću cementiranog karbida, prevazilazeći ograničenja performansi jednog materijala u ekstremnim uslovima.
Osnovna struktura PDC alata sastoji se od dva sloja materijala s različitim funkcijama: površinskog polikristalnog dijamantskog sloja i donje cementirane karbidne matrice. Površinski PCD sloj je funkcionalna površina alata za rezanje i razbijanje kamenja, a princip njegovog dizajna je zasnovan na kristalnim svojstvima dijamanta. Dijamant, sastavljen od guste trodimenzionalne mreže atoma ugljika povezanih jakim kovalentnim vezama, ima tvrdoću približnu tvrdoći prirodnog dijamanta i otpornost na habanje koja je daleko veća od tvrdoće konvencionalnog cementnog karbida i keramičkih materijala. Sinterovanjem na visokim{5}}temperaturama, visokim-pritiskom (HPHT), dijamantski prah veličine mikrona- ili submikrona- se učvršćuje u kontinuiranu polikristalnu strukturu. Ovaj proces zadržava visoku tvrdoću mono{10}}kristalnog dijamanta dok umanjuje krhkost kroz graničnu mrežu zrna, što rezultira odličnom otpornošću na habanje i otpornost na grebanje pri ravnom rezanju i smicanju stijena.
Princip dizajna temeljne cementirane karbidne matrice fokusira se na mehaničku potporu i apsorpciju energije udara. Često korištene legure volframa-kobalta (kao što je WC-Co) posjeduju visoku tlačnu čvrstoću i udarnu žilavost, efikasno raspršuju i prenose mehanička opterećenja nastala tokom rezanja, ublažavaju trenutni udar stijene ili obratka na dijamantski sloj i sprječavaju pucanje površine ili ljuštenje zbog prevelike krhkosti. Kobalt (Co) djeluje kao vezivna faza u matrici, a njegov sadržaj direktno utječe na ravnotežu između žilavosti i tvrdoće: visok sadržaj kobalta povećava žilavost da se nosi sa jakim udarnim uvjetima, dok nizak sadržaj kobalta povećava tvrdoću kako bi se zadovoljili zahtjevi otpornosti na habanje pri stabilnim opterećenjima. Ova "kruta-fleksibilna" dvoslojna-struktura omogućava PDC alatima da izvedu efikasno uklanjanje materijala u kontinuiranom rezanju uz održavanje strukturalnog integriteta u okruženjima povremenog udara.
Dizajn faze vezivanja je ključan za povezivanje dva sloja i postizanje sinergijskih performansi. Tokom procesa pripreme PCD sloja, potrebno je uvesti odgovarajuću količinu faze vezivanja kako bi se podstaklo metalurško vezivanje između dijamantskih čestica. Konvencionalne faze vezivanja su često prelazni metali kao što su kobalt i nikl, ali imaju određeni efekat katalitičke grafitizacije, što ograničava performanse alata na visokim{2}}ima. Stoga, za visoke-temperature, velike-brzine ili jake termičke šokove, moderni dizajn PDC alata ima tendenciju da koristi niske-katalitičke-aktivnosti ili ne-faze vezivanja (kao što su silicidi, boridi i karbidi). Ove faze vezivanja osiguravaju čvrstoću vezivanja između zrna i potiskuju transformaciju dijamantske{10}}u-fazne faze, značajno poboljšavajući termičku stabilnost i otpornost na oksidaciju, omogućavajući alatu da održi stabilnost dijamantske faze iznad 700 stepeni.
Nadalje, geometrijski dizajn alata također prati mehanizme za sečenje i razbijanje kamenja{0}}. Odabir oblika krunice (npr. ravan vrh, zaobljeni vrh, konusni vrh), nagibni ugao i ugao zazora reznih zuba treba optimizirati na osnovu mehaničkih svojstava ciljanog materijala i metode uklanjanja. Na primjer, zaobljeni gornji profil zuba može pružiti kontinuiraniju putanju smicanja i smanjiti udarno opterećenje; razuman dizajn nagibnog ugla može uravnotežiti silu rezanja i efikasnost uklanjanja strugotine, sprečavajući začepljenje strugotine ili šljake. Oblik i raspodjela žljebova za evakuaciju strugotine utječu na glatkoću uklanjanja strugotine i izbjegavaju sekundarno brušenje i habanje dijamantskog sloja.
Ukratko, princip dizajna PDC alata utjelovljuje sistematski pristup "funkcionalnog slojevitosti-komplementarnosti materijala-strukturalne optimizacije": površinski dijamantski sloj je odgovoran za ultra-tvrdo i habanje-otporno sečenje, temeljni cementni karbid pruža otpornost na žilavost, podršku za žilavost i stabilizaciju faze i jaku geometriju otpornost na udarce. struktura odgovara mehanizmu za rezanje. Ovaj više-dimenzionalni kolaborativni dizajn omogućava PDC alatima da kombinuju visoku efikasnost, izdržljivost i pouzdanost u ekstremnim radnim uslovima, postajući osnovno rešenje za probijanje uskih grla tradicionalnih alata i postavljanje teorijske osnove za njegovu primenu u širem spektru polja.
