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        3Dmax中納米材料微觀形貌模型的構(gòu)建

        2017-08-02 21:05:37袁優(yōu)
        卷宗 2017年7期
        關(guān)鍵詞:空心球大球球體

        袁優(yōu)

        摘 要:利用先進(jìn)的計算機科學(xué)技術(shù)輔助材料科學(xué)研究可幫助科學(xué)工作者更好地展示自己的科研成果,讓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3D max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(jìn)行復(fù)合的情況,具有廣泛的通用性。這將有利于推進(jìn)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(yīng)用。

        1 引言

        材料學(xué)是一門豐富且具體的學(xué)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(dǎo)。常見的微觀形貌表征方法有光學(xué)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(jìn)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(jìn)行繪制各種奇異的微觀形貌成為可能。

        目前在各類學(xué)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(jìn)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3D max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(xué)研究的進(jìn)步是很有意義的。

        2 建?;痉椒?/p>

        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(fù)合圖形的方法,將3D max中常見的幾何體進(jìn)行加、減及差集、并集等操作。本文想介紹的主要是一些復(fù)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3D max中的一些基本手段包括以下幾個:

        1)布爾運算

        布爾運算是3D max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(一般是一大一小),進(jìn)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(fù)相應(yīng)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3D max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3D max為2012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(jìn)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(fù)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(xiàn)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(xué)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(fù)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),是廣大科研工作者十分欣賞的一種結(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(dāng)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(fù)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(dāng)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(jìn)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3D max中一些常用的復(fù)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)構(gòu)及進(jìn)一步提升為管狀的六角環(huán)結(jié)構(gòu)。

        值得一提的是,這些方法在各種形狀的幾何體操作中均為通用的,可根據(jù)科研工作者自己的需要和納米材料實際的微觀形貌進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。這是利用計算機建模技術(shù)實現(xiàn)豐富多彩的科學(xué)成果展示的一個有趣的嘗試。endprint

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