本文以表面单级微米结构、单级纳米结构和二级结构为研究对象,通过接触角测量仪、高速摄影系统和环境扫描电镜设备等试验手段,结合经典润湿模型、热力学、相变动力学、固体表面吸附等理论分析,详细研究了微纳结构表面的润湿性和润湿稳定性、液滴蒸发过程中的润湿行为和换热特性、静置液滴冻结和融化过程、液滴撞击冷疏水表面现象、以及表面凝露结霜过程。主要包括以下内容:通过试验和理论分析研究了三类微纳结构表面的润湿性和润湿稳定性。考察了表面结构、结构参数和基材对疏水性的影响,建立了表面柱形结构与接触角、接触角滞后的关联模型。从疏水性能来看,在单级阵列结构上构筑微米或纳米级的第二级结构后,表面疏水性增强,而且微-纳二级结构比微-微二级结构更疏水。当单级柱形结构参数一致时,圆柱结构比方柱结构更疏水。柱高一定时,单级、二级结构表面的疏水性随着间宽比（柱间距与柱宽度之比）的增大而增强。基材对润湿性影响不大。常温壁面条件下,二级结构和单级纳米结构更有利于撞击的液滴发生完全回弹,表面结构的润湿稳定性更强。通过试验研究了水和乙醇两种液滴在微纳结构表面的蒸发过程,发现表面结构影响液滴蒸发过程中的润湿行为和蒸发速率。单级阵列结构的间宽比越大,越容易发生Cassie-Wenzel润湿转变,润湿稳定性越弱。相对单级方柱结构,单级圆柱结构更容易同时满足强疏水性和稳定性要求。水滴在无微纳结构的空白硅片表面蒸发最快,其次为单级阵列结构,在二级结构表面蒸发最慢。纳米尺度的第二级结构增加了蒸发速率,使得水滴在微-纳二级结构表面的蒸发时长小于微-微二级结构表面。通过试验研究了静置液滴在微纳结构表面的冻结过程,主要包括“液相冷却和过冷却、液相亚稳态、晶核形成和表面复辉、局部固化、固态冷却”五个阶段。通过比较液相持续时长,发现微-纳二级结构疏冰能力最强,单级圆柱结构抑冰能力最弱;晶核形成时,潜热释放导致液滴表面温度突升;表面结构影响结冰固化起始,固液接触面积影响固化后期行为;冻结末期,微纳结构表面的液滴冰锥角略低于空白硅片,与初始接触角关系不大。二级结构是防止撞击的液滴在冷壁面结冰的最佳结构,且微-纳二级结构比微-微二级结构抑冰能力更好。通过试验研究了已冻结液滴在表面的融化过程,和多次结冰-融冰后表面的防冰特性。发现融化时,疏水表面比亲水表面需要更大的过热度。抑冰能力较强的二级结构表面具有最佳疏水恢复性。多次结冰-融冰循环后,微-纳二级结构仍具有最佳抑冰效果,表面的耐磨性最强。通过理论分析讨论了表面润湿性和表面结构对水蒸气冷凝过程的影响。发现疏水性主要影响液核形成和液核分布密度。接触角越大,液核越难形成,液核分布密度越小。表面结构影响凝露合并和冻结波的传播。根据环境扫描电镜观测结果,提出了三类微纳结构表面的凝结模式。其中,二级结构凝露合并最慢,单级圆柱结构最容易凝露溢出。宏观观测下,二级结构与空白硅片的霜层结构相似,霜晶较为短小且数量大。各疏水表面仅在结霜初期有明显的抑霜能力,结霜后期霜层厚度差异缩小。