水汽冷凝与收集技术在缓解干旱地区缺水问题、提高能源利用效率以及航天和军事用途中扮演着重要角色。传统膜状冷凝和滴状冷凝技术发展迅速并已应用到实际工业生产,但其冷凝性能和持久性仍难以满足需求。近年来许多生活在沙漠地区的生物引起了人们浓烈兴趣。研究发现,它们具有特殊表面微纳结构,能有效收集雾气中水分加以利用。本学位论文借鉴典型生物结构,开展仿生水汽冷凝/收集微纳复合结构制备研究,主要工作包括:(1)仿生微纳复合结构水汽冷凝/收集理论研究。根据仙人掌刺结构建立了锥形表面环状液滴和蚌壳状液滴理论模型,得到了仿生结构表面自由能分布和表面能梯度分布,揭示了锥形结构参数与表面自由能及自由能梯度之间的关系。进一步对锥形及楔形管状结构内部的液滴进行了建模分析,揭示了管状梯度结构内部液滴运动规律。结合生物结构梯度形貌和可制造性,设计了由交替亲水和疏水楔形区域构成的平面梯度结构,分析了结构形貌参数、表面浸润性参数对液滴运动的影响,揭示了液滴在仿生结构表面的运动规律,为仿生结构设计和制备提供理论基础。(2)仿生水汽冷凝/收集微纳结构制备。研究了表面浸润性修饰结构的制备,得到了OTS分子层、氧化铜/氢氧化铜纳米线、硅纳米线/纳米锥,以及硅微管米阵列等多种具有优异浸润特性的微纳米结构表面;制备了铜微锥结构和PDMS微锥阵列结构,以及光刻胶/SiO2、Si/SiO2和OTS/SiO2构成的楔形阵列、星形、树形等平面梯度结构;根据结构表面材料特性和工艺兼容性选择了合适的表面浸润性修饰工艺,在仿仙人掌刺结构表面制备了纳米结构或涂层结构,得到了仿生水汽冷凝与收集微纳复合结构。(3)仿生水汽冷凝/收集微纳复合结构性能测试。搭建了试验平台,进行了仿生结构的水汽冷凝特性测试,验证了仿仙人掌刺结构的定向收集液滴能力,发现亲水微锥结构比疏水微锥结构具有更高的水汽冷凝和收集效率;得到了微锥结构半锥角的优化值,小于该值液滴所受驱动力较小会影响水汽冷凝与收集性能。研究了平面梯度结构表面液滴的定向移动过程,实现了冷凝液滴自动收集;揭示了平面梯度结构表面图形宽度与液滴尺寸分布的相互关系,疏水区域的宽度可以控制冷凝液滴脱离直径;对比了不同结构表面水汽冷与收集性能,发现树形梯度结构可以明显提高水汽冷凝与收集效率。