3D max中納米材料微觀形貌模型的構(gòu)建

精品文檔-下載后可編輯Dmax中納米材料微觀形貌模型的構(gòu)建摘要：利用先進的計算機科學技術(shù)輔助材料科學研究可幫助科學工更好地展示自己的科研成果，一些深刻的知識科研形象地表現(xiàn)出來便于理解。本文利用3Dmax中一些簡單的建模技術(shù)，實現(xiàn)了空心球殼、小球組大球、六角碳骨架等結(jié)構(gòu)，是科研工作中十分常用的圖形。這些方法不僅僅使用于構(gòu)筑以上一些結(jié)構(gòu)，還可以移植到類似的結(jié)構(gòu)或幾種結(jié)構(gòu)進行復合的情況，具有廣泛的通用性。這將有利于推進計算機建模技術(shù)在構(gòu)建納米材料微觀形貌模型中的更多應用。

1引言

材料學是一門豐富且具體的學科，關(guān)于材料的微觀形貌表征也是其中一塊很重要的部分，這可以為探索其性質(zhì)提供一些指導。常見的微觀形貌表征方法有光學顯微鏡、電子顯微鏡等，這些手段已經(jīng)可以較好地展現(xiàn)出材料的微觀形貌。隨著計算機技術(shù)的不斷進步，更加具體形象的圖形構(gòu)建技術(shù)已經(jīng)得到實現(xiàn)，使得采用計算機進行繪制各種奇異的微觀形貌成為可能。

目前在各類學術(shù)論文中，通過繪制微觀形貌來展現(xiàn)實驗流程或合成產(chǎn)物是一種有效地表現(xiàn)手段。一些雙層或者中空結(jié)構(gòu)，利用這種3D建模的方法可以獲得很好的呈現(xiàn)效果。另外，許多管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外部的納米材料分布情況，也可以采用這種繪制的微觀形貌示意圖來展現(xiàn)，這些為科研工作的迅速向前推進提供了一些直觀、豐富的驅(qū)動力。

所以，通過利用計算機軟件3Dmax設(shè)計和構(gòu)建材料的微觀形貌，從而獲得更好的理解，對于科學研究的進步是很有意義的。

2建模基本方法

三維建模的基本手段很多，在這里，我們主要想利用一些常用的復合圖形的方法，將3Dmax中常見的幾何體進行加、減及差集、并集等操作。本文想介紹的主要是一些復合或者含有空缺的結(jié)構(gòu)的設(shè)計與繪制，如空心球殼，小球組大球，六角碳材料結(jié)構(gòu)等等。利用到的3Dmax中的一些基本手段包括以下幾個：

1）布爾運算

布爾運算是3Dmax的一種常用工具，用來將兩個重合的模型去交集、并集或補集，在做模型時需要挖去或接上一部分的時候一般都用布爾運算。

2）散布

這一功能能夠?qū)蓚€形狀各異的物體（一般是一大一?。?，進行無縫銜接，且小物體可通過幾種不同的方式有規(guī)律地分散在大物體表面。這對于構(gòu)建點綴式幾何體或者由小物體組建大物體十分有效。

3）陣列

陣列其實就是讓同一物體或同一組物體在某一方向或某一角度循環(huán)重復相應的次數(shù)，得到一隊整齊排列的圖形組。這對于構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)中的大規(guī)模陣列模型十分有效

3實例

接下來，本文通過幾個實例，來具體闡述，如何利用3Dmax中的以上方法，來構(gòu)建出不同類型的材料微觀形貌，本論文采用的3Dmax為2022版的，其他版本的操作思路也都是相似的。

1）空心球殼結(jié)構(gòu)

我們通過布爾運算的差集來進行繪制空心球，利用的元素都比較簡單。首先我們需要做一個球體（中空），大小可以自己把握，如圖3.1。這里值得注意的是，需要使用修改器中的“殼”這一工具，才能實現(xiàn)具有內(nèi)外徑的球體，即中空的球體。

接下來，我們利用一個長方體，來占據(jù)該球體右上角的八分之一的空間，實現(xiàn)兩個幾何體的有效嵌套，如圖3.2所示。

隨后是最關(guān)鍵的一步，我們需要利用幾何體對象中的復合對象，選取布爾，先選中長方體，然后拾取球體作為對象，找到差集運算，球體可以實現(xiàn)幾何上削減去兩個幾何體重合的部分，如此，則可實現(xiàn)圖3.3效果，如下圖。這與文獻中的示意圖基本沒有差別了。

2）小球組建大球結(jié)構(gòu)

利用小的顆粒堆成大的幾何形狀是十分有趣的微觀形貌，在材料科學研究過程時常出現(xiàn)。這里我們介紹一種比較簡單的小顆粒組大顆粒的模型的構(gòu)建方法，即小球組建大球的結(jié)構(gòu)。

首先我們先做一個大球和小球作為基礎(chǔ)，如下圖3.4所示。

接下來，我們利用小球作為散布的基本原子，利用幾何體復合對象中的散布命令，拾取大球作為對象，設(shè)置散布對象的數(shù)量及模式，將小球隨機或均勻地分布在大球表面，如下圖3.5。

如此我們即可構(gòu)建出各種各樣小尺寸幾何體組成大尺寸幾何體的圖形，這種方法也適用于構(gòu)建其他類似結(jié)構(gòu)的形貌。

3）六角環(huán)組成的碳結(jié)構(gòu)（如石墨烯，碳納米管等）

碳骨架結(jié)構(gòu)的六角環(huán)蜂窩煤結(jié)構(gòu)，是廣大科研工十分欣賞的一種結(jié)構(gòu)，如何將該結(jié)構(gòu)做大做強，實現(xiàn)各種熱點形貌（如管狀的碳納米管等）是大家都十分關(guān)心的。

我們采用多邊形繪制基礎(chǔ)的六角環(huán)碳骨架基元，如下圖3.6所示，可需要將多邊形渲染選項中的“在渲染中啟用”及“在視口中啟用”選中，以適當調(diào)整六角環(huán)的厚度，使得立體感更強烈。

接下來，我們利用單個基元的六角環(huán)，通過陣列工具，調(diào)整x，y方向的位移距離及各自陣列重復的數(shù)目，實現(xiàn)二維六角環(huán)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，這也就是我們常說的單層石墨烯的結(jié)構(gòu)，如下圖3.7所示。

當然，我們也可以把這個網(wǎng)絡(luò)卷起來，利用修改器中的彎曲命令，對整體進行指定方向的360°彎曲，則可實現(xiàn)我們常說的碳納米管結(jié)構(gòu)，如下圖3.8。

4結(jié)論

本文利用3Dmax中一些常用的復合工具，實現(xiàn)了幾種常見納米材料微觀形貌的模型構(gòu)建，主要有：

1）利用布爾運算實現(xiàn)空心球殼結(jié)構(gòu)。

2）利用散布功能實現(xiàn)小球構(gòu)建大球結(jié)構(gòu)

3）利用整列的方法獲得六角環(huán)網(wǎng)絡(luò)石墨烯結(jié)