疏水固体表面的浸润现象因其在生产生活中的潜在应用得到了人们的广泛关注。表面浸润的理论研究不仅有助于研制仿生材料，更能推动表面力学的发展。液滴在固体表面的浸润行为主要取决于表面的化学成分以及表面形态结构。在疏水性表面浸润的理论研究方面，关于自由能和自由能能垒的分析与表面属性的影响关系已经有了系统详细的研究。但是，现有的分析模型要么涉及复杂的计算过程，要么是基于特定切面的二维热力学分析。因此，提出一种三维的分析模型来分析疏水表面的浸润效应是很有研究价值的。本文结合三相接触线的实际形状，建立了液滴前进与后退过程中能量的变化与三相接触线在粗糙表面的运动的关系，将表观接触角与最小自由能、动态接触角与自由能能垒结合起来，首次提出了分析表面疏水性的三维热力学分析模型。
　　论文主要通过三维热力学分析模型以及Surface Evolver软件模拟，系统地研究了表面粗糙结构性质对超疏水性的综合影响，详细分析了具有一级微柱、二级微柱、平行条纹的粗糙结构表面的浸润行为，所得结果可为超疏水表面的制备及应用提供理论支持。论文的主要内容包含以下几方面:
　　(1)以一级正方形微柱粗糙表面为例，建立了三维热力学分析模型，研究了微柱高度对不同浸润状态的自由能及自由能能垒的影响，分析了微柱高度对浸润状态的过渡的影响规律，发现了当微柱高度大于临界柱高时复合状态(Cassie State)更为稳定，当微柱高度小于临界柱高时非复合状态（Wenzel State）则更加稳定。推导出了根据结构参数及表面性质确定临界柱高的表达式，而后将该模型推广到了具有任意横截面性质的微柱结构表面。
　　(2)受“荷叶效应”和“花瓣效应”的启发，分析了具有二级微柱结构表面上Cassie状态（荷叶表面）、Cassie impregnating浸润状态（玫瑰花瓣表面）、Wenzel状态（全浸润）之间的不同浸润特性，发现了纳米微柱高度对浸润状态之间的过渡也有着决定性的作用，给出了根据粗糙结构几何参数确定最终稳定浸润状态的方法。
　　(3)在表面粗糙结构尺寸处于亚微观甚至更小的量级时存在的尺寸效应，通过引入三相接触线张力的概念分析了具有梯形微柱结构的表面的浸润行为。发现了粗糙结构尺寸越小则复合状态下的总三相接触线能量越大，进而导致表观接触角的增大。此外，研究了梯形微柱底角和底边间距对浸润行为的影响。基于所得结果可为梯形微柱结构超疏水表面的制备提供理论支持。
　　(4)提出了各向异性表面浸润行为的三维热力学分析模型，分析了液滴在各向异性表面上的铺展过程中自由能及形状随条纹数量的变化规律，利用Surface Evolver软件建模，发现了湿条纹宽度越小或干条纹宽度越大越有利于获得较大的表观接触角及较小的接触角滞后（垂直于条纹方向）。此外，通过改变不同条纹上液滴的体积研究了各向异性浸润液滴的浸润稳定性，发现了三相接触线的滑跳(slip-jump)现象，提出了分析动态接触角的方法。结合两种分析方法可缩小各向异性浸润表面的动态接触角的理论预测范围。