在人类生产生活中,表面润湿性(浸润性)具有重要意义。当液体在表面的接触角接近0°(超亲液)或者大于150°(超疏液)时,这种表面被称为超浸润表面。其中,具有液体排斥功能的超疏液表面在液滴操纵、摩擦调控、自清洁和油水分离等领域具有良好的应用潜力,受到人们广泛关注。研究表明,表面润湿性能除了受其化学组成影响外,更取决于其微观结构。然而,针对表面微观结构进行优化设计,以获得性能良好的超疏液表面来满足生产/生活需求,不仅缺乏设计依据,还往往难以达到预期效果。自然界中的许多生物,经亿万年进化,已在其体表形成了独特的微结构阵列,它们与体表化学组成一起,共同贡献于生物体表面的超疏液特性。天然生物体超疏液表面微结构阵列的自组装、自排布规律为仿生学设计提供了新的思路。近年来,用于构建微阵列超疏液仿生表面的方法不断涌现,如涂层法、模板法、激光加工、光刻和3D打印等,尽管在不同的应用环境表现出不同的优势,但也存在各自的局限性。如何更加合理地选择制备方法并进行制造约束下的仿生设计与优化,是长期以来仿生微阵列超疏液表面制造面临解决的重要问题,亦是国内外研究的前沿与热点。本论文以荷叶、玫瑰花、跳虫和猪笼草4种具有超疏液表面的典型生物为模本,基于超疏液表面仿生设计原理,分别采用涂层法、模板法、自组装技术和自组装@浸涂法,成功制备了具有不同性能和功能的系列仿生微阵列超疏液表面,包括低粘附超疏水表面、高粘附超疏水表面、超双疏表面和超滑表面。在此基础上,通过润湿性理论揭示了微结构阵列与其表面润湿特性的内在联系,探讨了仿生表面在液滴操纵、摩擦调控、自清洁和油水分离等方面的应用性能。本研究可望为仿生超疏液表面可控制造和规模化应用提供理论基础和技术支持。主要研究内容与结论如下:(1)受荷叶具有微纳乳突结构的低粘附超疏水表面启发,设计并利用一步法制备了具有微纳凸包结构的环境友好型多功能超疏水涂层。试验表明该涂层不仅具有良好的超疏水特性,还具有优异的机械稳定性,并且在以下3个方面应用潜力突显:玻璃基涂层在空气中、油中和被油污染后皆表现出强大的自清洁能力;不锈钢网基涂层具有连续的油水分离能力,对多种油水混合物分离效率均高于93%;45#钢基涂层协同微柱阵列表现出长效稳定的减摩能力。(2)受玫瑰花具有微米级乳突和纳米级脊状结构的高粘附超疏水表面启发,设计并通过模板法在形状记忆环氧树脂表面制备了具有纳米凸包结构的微柱阵列,经氟硅烷修饰后获得了微纳结构和润湿性能均可被编辑的高粘附超疏水表面。通过Wenzel模型揭示了其润湿性可编辑机理。经过编辑后,可反复将该表面作为“反应平台”和“镊子”,以实现液滴的无损运输与混合;同时还可对表面的摩擦性能进行可逆调控。(3)受跳虫具有蘑菇形纳米重入结构的超双疏表面启发,开发了磁粒子辅助的自组装方法,设计并制备了具有蘑菇形重入结构的微柱阵列,经化学修饰后获得了润湿性可切换的超双疏表面。通过建立数学模型,揭示了润湿性切换机理。在磁场和机械应变的刺激下,表面微柱阵列形貌和润湿性可同时发生可逆改变,实现了油滴和水滴的可控运输。(4)为提升超双疏表面的压力稳定性,在蘑菇形微米重入结构的基础上,设计并利用自组装@浸涂法制备了一种双尺度重入结构,经化学修饰获得了超双疏表面。该表面具有良好的压力稳定性,不仅能够抵抗高压水滴撞击,还能抵抗低表面张力液滴的冲击。通过构建数学模型,揭示了双尺度重入结构对超双疏表面压力稳定性的增强机理。该表面有效延迟了低压闪蒸结冰现象的发生,从而拓展了超双疏表面的应用领域。(5)受猪笼草具有楔形盲孔结构的超滑表面启发,设计并以具有双尺度重入结构的超双疏表面为基底制备近红外光响应的超滑表面。由于该表面包含的羰基铁粉具有光热转换能力,利用近红外光进行驱动,可实现大液滴运输和液滴多种路径运输。通过力学分析,揭示了液滴在超滑表面上的驱动机理。