היישום הנרחב של כלי PDC (Polycrystalline Diamond Composite) בקידוחי נפט, חיפושים גיאולוגיים ועיבוד עיבוד-גבוה-לשחיקה נובע מהיתרונות המשולבים של קשיות גבוהה, עמידות בפני שחיקה גבוהה ועמידות טובה בפני פגיעות הנגרמים על ידי המבנה המרוכב הייחודי שלהם. עם זאת, מימוש יתרון זה תלוי בראש ובראשונה בבחירה המדעית של חומרים. הרכב החומר, מאפייני שלב ההתקשרות והמיקרו-מבנה של שכבת פני הכלי ומטריצה קובעים ישירות את ביצועיו וחיי השירות שלו בתנאי עבודה שונים. לכן, התאמת חומרים מדויקת על סמך דרישות היישום היא תנאי מוקדם למימוש הפוטנציאל של כלי PDC.
המבנה הבסיסי של כלי PDC מורכב משכבת יהלום פוליקריסטלי משטח (PCD) ומטריצת קרביד מוצק תחתונה. תכונות החומר וההשפעות הסינרגטיות של שתי השכבות הללו קובעות את הביצועים הכוללים. שכבת PCD פני השטח מבצעת את משימות החיתוך ושבירת הסלע העיקריות-, והליבת בחירת החומרים שלה טמונה באיכות ובחלוקת גודל החלקיקים של אבקת היהלום. אבקת יהלום חד גביש-בטוהר- גבוה מבטיחה יצירת רשת קשרים קוולנטיים חזקה בין גרגרים, ובכך משיגה קשיות ועמידות בפני שחיקה קרובה לזו של יהלום טבעי. התפלגות גודל הגרגרים חייבת לאזן חוזק מקרוסקופי וחדות חיתוך מיקרוסקופית; שכבות יהלומים עדינים-מציעות עמידות טובה יותר בפני שחיקה ומתאימות לעיבוד תצורות או חומרים שוחקים במיוחד, בעוד לשכבות יהלום גסות-גרגירים יש יתרונות בעמידות בפני פגיעות ומתאימות לתנאים המכילים חלקיקים קשים או פגיעות לסירוגין.
החומר של שלב ההדבקה הוא גורם מפתח המשפיע על היציבות התרמית והעמידות של שכבת ה-PCD. כלי PCD קונבנציונליים משתמשים לרוב במתכות מעבר כגון קובלט וניקל כזרזים ומקשרים. מתכות אלו מזרזות את ההמרה של יהלום לגרפיט בטמפרטורות גבוהות, ומגבילות את טמפרטורת הפעולה ותוחלת החיים של הכלי. עבור תנאי-טמפרטורה גבוהה,-גבוהה או הלם תרמי חזק, יש לתת עדיפות לפעילות-קטליטית- או שלבי קישור לא-מתכתיים (כגון סיליקידים, בורידים וקרבידים). חומרים אלה יכולים למעשה לעכב גרפיטיזציה, להעלות את טמפרטורת הפירוק התרמי למעל 700 מעלות תוך שמירה על חוזק הדבקה מספק של גבול גרגר, מה שמאפשר לכלי לשמור על ביצועי חיתוך גם בסביבות קיצוניות.
בחירת החומר עבור מטריצת הקרביד המוצק הבסיסית נותנת עדיפות לקשיחות ואמינות ההידוק. סגסוגות טונגסטן-קובלט נפוצות (כגון WC-Co) מציעות עמידות בפני פגיעות, קשיחות ויכולת עיבוד מצוינים, מספקות תמיכה מכנית חזקה לשכבת ה-PCD, סופגת ופיזור עומסי ההשפעה שנוצרו במהלך החיתוך ומונעת שבירה של שכבת היהלום עקב שבירות יתר. ניתן להתאים את תכולת הקובלט במטריצה כדי ליצור איזון בין קשיות וקשיחות: תכולת קובלט גבוהה מגבירה את הקשיחות אך מפחיתה מעט את הקשיות, מתאימה ליישומים בעלי השפעה- גבוהה; תכולת קובלט נמוכה גורמת לקשיות גבוהה יותר, מתאימה לעמידות בפני שחיקה בעומסים יציבים. יתר על כן, אחידות הצפיפות וצפיפות הסינטר של המטריצה משפיעות גם הן על החוזק הכללי ויש להבטיח אותן באמצעות בקרת תהליך ייצור קפדנית.
בחירת חומר דורשת אופטימיזציה ממוקדת עבור תרחישי יישומים שונים. לדוגמה, בקידוחי נפט וגז מול תצורות אבן חול ואבני גיר שוחקות במיוחד, עדיפה שכבת יהלום עדינה-עם שלב קשירה קטליטי (PCD) נמוך, בשילוב עם מטריצת קרביד צמנט עם תכולת קובלט בינונית, כדי לאזן עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני פגיעות. בפעולות ליבת חקירה גיאולוגית, כאשר נתקלים בפגיעות חצץ או בין-שכבות, ניתן להגדיל את גודל גרגיר היהלום בצורה מתאימה ולשפר את קשיחות המטריצה כדי להפחית את הסיכון לשבירת שיניים. ביישומי עיבוד שבבי מדויק כגון סגסוגות אלומיניום סיליקון גבוהות-, בנוסף לעמידות בפני שחיקה, יש לקחת בחשבון את מקדם החיכוך הנמוך והאינרטיות הכימית של החומר כדי להפחית את הידבקות הכלים ונזקי פני השטח.
לסיכום, בחירת חומר לכלי PDC היא משימה שיטתית המשלבת איכות אבקת יהלום, מאפייני שלב הקישור וביצועי מטריצת קרביד מוצק. רק על ידי התאמה מדעית של החומרים והפרמטרים המבניים של כל שכבה בהתאם לקשיות, כושר השחיקה, עמידות הפגיעה ותנאי הטמפרטורה של תנאי העבודה הספציפיים, ניתן להבטיח שהכלי יחזיק ביציבות ועמידות מצוינים תוך השגת חיתוך ושבירת סלעים יעילים, ובכך לספק תמיכה טכנית אמינה בסביבות עבודה מורכבות.
