随着微电子机械系统(MEMS)的迅猛发展，机械设备的尺寸不断减小，固液界面相互作用显著影响微流体机械的性能。此外，微电子器件的小型化，使装置的热流密度显著增加，微小型设备的散热问题面临严峻挑战。微纳米结构超疏水表面能够调控液滴动力学行为，强化滴状冷凝换热，有利于提高微流体机械的性能，并为换热设备的小型化和高热流密度装置热管理系统性能的提升提供了新途径。基于此背景，本文系统地研究了微纳米结构超疏水表面液滴动力学行为与冷凝换热特性，主要内容包括:微纳米结构疏水与超疏水表面的制备及润湿性表征、层级微槽超疏水表面液滴合并弹跳行为、微纳米结构超疏水表面低浓度乙醇溶液液滴合并弹跳行为以及微槽疏水与层级微槽超疏水表面蒸汽冷凝换热特性。

本文分别制备了层级微槽超疏水、CuO纳米结构超疏水、微槽疏水和光滑疏水表面，并表征了所有制备表面的润湿性。结果表明，液滴在层级微槽结构和CuO纳米结构的超疏水表面呈现稳定的Cassie润湿态，而在微槽疏水表面的Cassie润湿态不稳定。槽道结构阻碍了液滴的横向润湿，导致微槽疏水和层级微槽超疏水表面呈现各向异性润湿性，垂直槽道方向的接触角大于沿槽道方向的接触角。为了探究微槽结构对液滴合并弹跳过程流体力学的调控机制，本文搭建了液滴合并弹跳可视化实验系统，研究并比较了层级微槽超疏水与平超疏水表面的液滴合并弹跳行为。

研究发现，具有空间限制效应的微槽结构对液滴合并的流体力学调控起着关键作用。在层级微槽超疏水表面，槽内变形液滴在Laplace压力差驱动下实现自弹跳，释放的表面能向动能的转化率约为8%。槽内变形液滴和槽外非变形液滴合并弹跳的能量转化率高达46%，比平超疏水表面的液滴合并弹跳高出7.2倍，表明液滴合并弹跳速度和能量转化率的提升取决于液滴表面曲率和集中于弹跳方向的动量。

此外，本研究证实了液滴间凸出的微结构能够通过对液滴内部动量的重新定向强化液滴合并弹跳性能；而液滴间的凹槽结构弱化了合并液滴与表面的撞击效应，导致液滴合并弹跳性能恶化。为了明确液体表面张力对不同微纳米结构超疏水表面液滴合并弹跳的影响，本文研究并比较了去离子水、质量分数为8%和16%的低浓度乙醇溶液液滴在平超疏水和层级微槽超疏水表面的合并弹跳行为。结果显示，表面张力大于40 m N/m且粘度小于2 m Pa·s的低浓度乙醇溶液液滴在平超疏水表面的合并弹跳由惯性效应主导，粘性效应的影响可以忽略。液体表面张力的减小仅导致液滴合并弹跳速度的减小，能量转化率基本不变，维持在5.6%～6%之间。在层级微槽超疏水表面，液体表面张力减小引起表面对液滴的粘附效应增强，使槽内变形的低浓度乙醇溶液液滴无法自弹跳，而是在Laplace压力差驱动下自发爬升，并悬浮于槽道上方。增强的表面粘附改变了低浓度乙醇溶液液滴合并过程的形态演变，影响了其内部动量的传递，导致液滴合并弹跳速度和能量转化率降低。

随液体表面张力的减小，受限微槽结构和液滴间凸起的微结构对液滴合并弹跳性能的强化作用减弱，而凹槽结构对液滴合并弹跳性能的弱化作用增强。在上述研究的基础上，本文搭建了蒸汽冷凝可视化实验系统，研究了光滑疏水以及不同槽道方向的微槽疏水和层级微槽超疏水表面的冷凝换热特性，探究表面微纳米结构和各向异性润湿性对冷凝液滴动力学行为和换热性能的影响。研究发现，层级微槽超疏水表面同时存在低过冷度下(ΔT5 K)多个小冷凝液滴(100μm)的合并弹跳和较宽过冷度范围内(ΔT12 K)槽内变形大液滴(400～500μm)的受迫弹跳。

而且，槽内受限生长的大冷凝液滴会在Laplace压力差的作用下爬升至槽道顶部形成悬浮液滴，构成层级冷凝模式，有效抑制了高过冷度下的泛液冷凝，强化了滴状冷凝换热。低过冷度下液滴的合并弹跳和弹跳液滴诱导的扫除以及高过冷度下合并诱导的扫除和悬浮液滴的脱落等多种表面刷新方式使层级微槽超疏水表面具有最佳的滴状冷凝换热性能，并消除了槽道各向异性润湿性对滴状冷凝换热的影响。

然而，槽道的各向异性润湿性显著影响微槽疏水表面的滴状冷凝。槽道结构增加的换热面积，槽内液柱的滑落和对相邻凸台上液滴的扫除与跨槽大液滴脱落相结合，提高了表面刷新频率，使竖槽方向微槽疏水表面的冷凝换热性能明显优于光滑疏水表面。但横向槽道消除了槽内液柱的滑落，并阻碍跨槽大液滴的脱落，不利于刷新表面，导致横槽方向微槽疏水表面的冷凝换热性能比光滑疏水表面更低。