隨著微電子機械係統(MEMS)的迅猛發展，機械設備的尺寸不斷減小，固液界麵相互作用顯著影響微流體機械的性能。此外，微電子器件的小型化，使裝置的熱流密度顯著增加，微小型設備的散熱問題麵臨嚴峻挑戰。微納米結構超疏水表麵能夠調控液滴動力學行為，強化滴狀冷凝換熱，有利於提高微流體機械的性能，並為換熱設備的小型化和高熱流密度裝置熱管理係統性能的提升提供了新途徑。基於此背景，本文係統地研究了微納米結構超疏水表麵液滴動力學行為與冷凝換熱特性，主要內容包括:微納米結構疏水與超疏水表麵的製備及潤濕性表征、層級微槽超疏水表麵液滴合並彈跳行為、微納米結構超疏水表麵低濃度乙醇溶液液滴合並彈跳行為以及微槽疏水與層級微槽超疏水表麵蒸汽冷凝換熱特性。

本文分別製備了層級微槽超疏水、CuO納米結構超疏水、微槽疏水和光滑疏水表麵，並表征了所有製備表麵的潤濕性。結果表明，液滴在層級微槽結構和CuO納米結構的超疏水表麵呈現穩定的Cassie潤濕態，而在微槽疏水表麵的Cassie潤濕態不穩定。槽道結構阻礙了液滴的橫向潤濕，導致微槽疏水和層級微槽超疏水表麵呈現各向異性潤濕性，垂直槽道方向的接觸角大於沿槽道方向的接觸角。為了探究微槽結構對液滴合並彈跳過程流體力學的調控機製，本文搭建了液滴合並彈跳可視化實驗係統，研究並比較了層級微槽超疏水與平超疏水表麵的液滴合並彈跳行為。

研究發現，具有空間限製效應的微槽結構對液滴合並的流體力學調控起著關鍵作用。在層級微槽超疏水表麵，槽內變形液滴在Laplace壓力差驅動下實現自彈跳，釋放的表麵能向動能的轉化率約為8%。槽內變形液滴和槽外非變形液滴合並彈跳的能量轉化率高達46%，比平超疏水表麵的液滴合並彈跳高出7.2倍，表明液滴合並彈跳速度和能量轉化率的提升取決於液滴表麵曲率和集中於彈跳方向的動量。

此外，本研究證實了液滴間凸出的微結構能夠通過對液滴內部動量的重新定向強化液滴合並彈跳性能；而液滴間的凹槽結構弱化了合並液滴與表麵的撞擊效應，導致液滴合並彈跳性能惡化。為了明確液體表麵張力對不同微納米結構超疏水表麵液滴合並彈跳的影響，本文研究並比較了去離子水、質量分數為8%和16%的低濃度乙醇溶液液滴在平超疏水和層級微槽超疏水表麵的合並彈跳行為。結果顯示，表麵張力大於40 m N/m且粘度小於2 m Pa·s的低濃度乙醇溶液液滴在平超疏水表麵的合並彈跳由慣性效應主導，粘性效應的影響可以忽略。液體表麵張力的減小僅導致液滴合並彈跳速度的減小，能量轉化率基本不變，維持在5.6%～6%之間。在層級微槽超疏水表麵，液體表麵張力減小引起表麵對液滴的粘附效應增強，使槽內變形的低濃度乙醇溶液液滴無法自彈跳，而是在Laplace壓力差驅動下自發爬升，並懸浮於槽道上方。增強的表麵粘附改變了低濃度乙醇溶液液滴合並過程的形態演變，影響了其內部動量的傳遞，導致液滴合並彈跳速度和能量轉化率降低。

隨液體表麵張力的減小，受限微槽結構和液滴間凸起的微結構對液滴合並彈跳性能的強化作用減弱，而凹槽結構對液滴合並彈跳性能的弱化作用增強。在上述研究的基礎上，本文搭建了蒸汽冷凝可視化實驗係統，研究了光滑疏水以及不同槽道方向的微槽疏水和層級微槽超疏水表麵的冷凝換熱特性，探究表麵微納米結構和各向異性潤濕性對冷凝液滴動力學行為和換熱性能的影響。研究發現，層級微槽超疏水表麵同時存在低過冷度下(ΔT5 K)多個小冷凝液滴(100μm)的合並彈跳和較寬過冷度範圍內(ΔT12 K)槽內變形大液滴(400～500μm)的受迫彈跳。

而且，槽內受限生長的大冷凝液滴會在Laplace壓力差的作用下爬升至槽道頂部形成懸浮液滴，構成層級冷凝模式，有效抑製了高過冷度下的泛液冷凝，強化了滴狀冷凝換熱。低過冷度下液滴的合並彈跳和彈跳液滴誘導的掃除以及高過冷度下合並誘導的掃除和懸浮液滴的脫落等多種表麵刷新方式使層級微槽超疏水表麵具有最佳的滴狀冷凝換熱性能，並消除了槽道各向異性潤濕性對滴狀冷凝換熱的影響。

然而，槽道的各向異性潤濕性顯著影響微槽疏水表麵的滴狀冷凝。槽道結構增加的換熱麵積，槽內液柱的滑落和對相鄰凸台上液滴的掃除與跨槽大液滴脫落相結合，提高了表麵刷新頻率，使豎槽方向微槽疏水表麵的冷凝換熱性能明顯優於光滑疏水表麵。但橫向槽道消除了槽內液柱的滑落，並阻礙跨槽大液滴的脫落，不利於刷新表麵，導致橫槽方向微槽疏水表麵的冷凝換熱性能比光滑疏水表麵更低。