蒸发是一种常见的自然现象,在日常生活和工业生产中均普遍存在。超疏水表面对含有固体颗粒的水滴的蒸发具有预浓缩的作用,在生化检测等方面有广泛的应用前景。因此,水滴在超疏水表面上的蒸发过程引起广泛的兴趣和关注。目前,虽然有大量关于超疏水表面上水滴蒸发过程的实验研究,但是关于蒸发过程中水滴形态和润湿态转变的机理尚不清晰。本文通过分析水滴蒸发过程中界面自由能的变化所带来的三相线(The three phase contact line,TPCL)移动推动力及相应的阻力,建立了描述水滴在超疏水表面上蒸发过程中形态和润湿态转变的物理和数学模型,用定量的计算结果解释了水滴蒸发整个过程的机理。首先,通过实验观察水滴在亲水、疏水和超疏水表面上蒸发过程中三相线和接触角的变化规律,进而建立了水滴蒸发过程中三相线和接触角变化的数学模型来解释这些实验现象。模型计算结果表明,当推动力小于阻力时,三相线不发生移动,接触角不断减小,水滴以恒定接触线(Constantcontactline,CCL)模式蒸发。当推动力大于阻力时,三相线开始收缩,接触角保持不变,进入恒定接触角模式蒸发(Constant contact angle,CCA)。然后,建立了结构表面上复合态水滴界面自由能(Interface free energy,IFE)的一般表达式,并依据自由能最小原理,确定了亚稳态复合水滴的形状参数。结果表明,复合态水滴底部每根微米柱侧面上的气液界面都是弯曲的,弯曲程度随结构参数而变,弯液面与柱侧面的夹角完全由柱壁面的本征接触角确定。采用水滴底部对柱侧面完全润湿、及能垒两种判断的计算结果表明,Cassie态水滴可以在柱间距足够大、或者水滴体积足够小的条件下向Wenzel态转变,但是Wenzel水滴向复合态的转变则由于过程能垒永远为正值而无法自发完成。接着基于以上水滴能量及其梯度的分析,对水滴通过触发途径完成Cassie态向Wenzel转变(Cassie-Wenzel,C-W)的机理进行分析。提出水滴界面自由能梯度(Interface free energy gradient,IFEG)是C-W转变的推动力的概念。推导了过程的推动力或转变压力和阻力以及水滴底部气液界面弯曲参数的表达式,建立了 C-W转变的物理和数学模型。计算结果表明微/纳米结构参数对C-W转变的推动力和阻力都有明显的影响,结构直径和结构间距越小,C-W转变的压力越小,阻力越大,因此C-W转变越难完成;柱结构越低越容易完成C-W转变;水滴的体积越小越容易转变成Wenzel态。此外,材料的本征接触角和前进角越大越不利于水滴C-W转变。进而依据水滴润湿态自发转变过程中其界面自由能总是自高向低变化这一基本原理,将水滴通过触底机理完成C-W转变的过程分为不同的阶段,分析了各阶段中结构表面上小水滴底部弯液面前端触底之后水滴的界面自由能及其变化,以及触底润湿过程的润湿阻力,从而建立了结构表面上水滴通过触底机理完成C-W转变的物理和数学模型。模型计算结果表明微/纳米结构参数对水滴能否完成C-W转变的影响非常大。最后,建立了描述水滴在超疏水表面上整个蒸发过程中形状和润湿态随体积减小而变化的综合物理和数学模型,用定量的计算结果解释了水滴蒸发整个过程的机理。计算结果表明,水滴处于Cassie态时首先以CCL模式蒸发,然后转变为CCA模式。当水滴体积减小到临界值后由Cassie态转变为Wenzel态,水滴将再次经历很短一段CCL阶段,之后进入混合蒸发(Mixed model,MM)模式,直至蒸发完毕。