超临界干燥（Supercritical Drying）

所属产业链层级：Chain（产业链）→ Chip（核心环节）→ Core（基础工艺）

1. 3 秒看懂

超临界干燥是制备气凝胶等纳米多孔材料的关键干燥工艺，通过将溶剂转化为超临界流体绕过气-液界面张力，避免骨架坍塌，是气凝胶从实验室走向产业化的核心瓶颈技术。

2. 3 分钟产业解释

它是什么？

超临界干燥（Supercritical Drying, SCD）是一种利用超临界态流体在无表面张力条件下移除湿凝胶中溶剂的工艺。当物质被加热和加压至超过其热力学临界点（Critical Point）时，会进入一种气-液不分的超临界状态。在此状态下，流体的表面张力为零，消除了传统干燥过程中因溶剂蒸发形成的毛细管力，从而使纳米级多孔骨架得以完整保留。

为什么重要？

一句话总结

没有超临界干燥，就没有高质量气凝胶；没有低成本干燥，就没有气凝胶的规模化应用。

3. 技术原理

3.1 干燥问题的物理本质

湿凝胶的骨架由直径几纳米至几十纳米的初级颗粒相互连接构成，内部孔隙以介孔（2–50 nm）为主。当液态溶剂从这些纳米孔道中蒸发时，气-液界面弯月面会产生巨大的毛细管压力，定量关系由杨-拉普拉斯方程描述：

P_{text(cap)} = frac(2\gamma \cos\theta){r}

其中：

• \gamma：溶剂的表面张力（N/m）
• \theta：溶剂与孔壁的接触角
• $r$：孔道半径（m）

对于乙醇（\gamma\approx 22\ mathrm(mN/m)）在半径 5 nm 的孔道中，理论毛细管压力可达约 8.8 MPa，远超硅基凝胶骨架的机械强度，导致骨架不可逆地收缩、碎裂甚至密实化，最终产物为干凝胶（Xerogel）而非气凝胶（Aerogel）。

3.2 超临界流体的核心特性

当流体温度和压力同时超过其临界点时，气-液界面消失，流体成为均相的超临界流体。其主要物理性质介于气体和液体之间：密度接近液体（具有良好溶解能力），粘度和扩散系数接近气体（具有良好传质能力），且表面张力严格为零。

超临界态流体的表面张力为零这一根本特性，使得溶剂在从凝胶纳米孔道中移除时不会形成气-液弯月面，毛细管力不复存在，骨架结构得以在干燥过程中完整保留。

3.3 工艺流程（以 CO₂ 超临界干燥为例）

CO₂ 超临界干燥是当前工业化最成熟的技术路线，典型工艺流程如下：

湿凝胶（含水/醇溶剂）
       │
       ▼
 ┌─────────────┐
 │ 1. 溶剂置换   │  目的：将凝胶内部的水/醇逐步替换为液态CO₂
 │ （Solvent     │  步骤：水 → 乙醇 → 液态CO₂（多级逆流或多次浸泡置换）
 │  Exchange）   │  说明：水在液态CO₂中溶解度极低，必须先用乙醇等中间溶剂过渡
 └──────┬──────┘
        ▼
 ┌─────────────┐
 │ 2. 升温升压   │  温度升至 >31.1°C，压力升至 >7.38 MPa
 │   至超临界态  │  CO₂进入超临界态，表面张力消失
 │              │  此时CO₂与醇类残留完全互溶
 └──────┬──────┘
        ▼
 ┌─────────────┐
 │ 3. 恒温泄压   │  保持温度在临界温度以上，缓慢释放超临界CO₂
 │ （等温减压）  │  控制泄压速率，CO₂以气态逸出，分离出醇类夹带物
 │              │  泄压终点为大气压，降温后开釜取出制品
 └──────┬──────┘
        ▼
    气凝胶成品（疏水或亲水，取决于前驱体配方和后处理）

关键工艺参数范围（公开文献综合，约 2018–2022 年数据）：

• 升压速率：通常 0.5–2 MPa/h，过快可能引起凝胶内部应力集中
• 泄压速率：通常 0.1–0.5 MPa/h，是最关键的操作参数之一，过快导致制品开裂
• 超临界态保持时间：2–8 h（视样品尺寸和醇含量而定）
• CO₂ 消耗量：约 3–8 kg CO₂/kg 气凝胶成品（未考虑回收循环）
• 单釜周期：批次式设备通常在 8–24 h/批

3.4 与其他干燥方式的对比

行业观察： 常压干燥（Ambient Pressure Drying, APD）技术路线近年进步显著，部分国内企业已宣称实现 APD 制备低成本气凝胶制品。但截至目前（2025 年），在超低密度块状气凝胶（密度 < 0.05 g/cm³）、航空航天级产品等高端领域，CO₂ 超临界干燥仍为主流技术方案。

4. 关键参数

4.1 流体与材料参数

4.2 工艺过程参数

4.3 设备与成本参数

5. 技术路线

5.1 CO₂ 超临界干燥（主流工业化路线）

优势： 临界温度仅 31.1°C，操作条件相对温和，CO₂ 不可燃、无毒、价廉、无残留，产品性能上限高。 劣势： 需要高压设备（7.38 MPa 以上），批次式生产效率存在天花板，CO₂ 循环回收系统增加设备复杂度。 适用领域： 制备高品质块状气凝胶、航空航天级气凝胶、超低密度气凝胶。

5.2 有机溶剂超临界干燥（逐步减少）

优势： 可避免溶剂置换步骤（醇凝胶可直接干燥），流程更短。 劣势： 临界温度高达 240–374°C，存在燃爆风险和溶剂分解风险，对设备耐温耐压及安全防护要求极高。 趋势： 在气凝胶领域的工业化应用中，此路线正逐步被 CO₂ 超临界干燥或 APD 路线替代。

5.3 常压干燥（APD，竞争/互补路线）

优势： 无需高压设备，投资低、操作安全，适合连续或大批量生产毡、板类制品。 劣势： 依赖表面化学改性（如硅烷化处理）来降低干燥收缩，对配方和工艺控制要求高，制备厚尺寸透明/块状气凝胶的难度大。 趋势： APD 技术进步使其中低端应用市场份额持续扩大，是目前超临界干燥路线最大的竞争压力来源。

5.4 技术路线分歧与并行现状

当前行业对”超临界 vs 常压”的长期技术竞争力尚无定论。看好超临界者认为其产品性能上限和适用品类宽度不可替代；看好常压者认为其成本优势将在大多数应用场景中胜出。两者的并行发展是当前行业共识，也是气凝胶行业健康竞争格局的一种体现。

6. 上游

上游主要涉及超临界干燥设备所需的核心硬件、工业气体以及气凝胶制造所需的前驱体原材料。

6.1 高压设备与核心部件

超临界干燥的高压釜及其附属系统属于特种设备管理范畴，对设计、材料和制造资质均有严格要求。

6.2 工业气体

6.3 硅源前驱体

气凝胶最常见品类为二氧化硅（SiO₂）气凝胶，其核心前驱体为有机硅或无机硅化合物，上游受有机硅行业周期影响显著。

7. 下游

超临界干燥直接服务于气凝胶产业，间接服务于气凝胶的各终端应用领域。气凝胶下游应用场景多元，近年结构变化显著。

7.1 下游应用占比

根据中国绝热节能材料协会气凝胶分会数据（2023 年口径），中国气凝胶下游应用占比大致如下：

7.2 重点下游领域特征

油气管道保温： 中海油、中石化等大型央企为主要最终用户，气凝胶毡用于长距离输油输气管道和炼化装置保温，需求长期稳定。

建筑节能： “双碳”目标驱动下，各地建筑节能标准趋严，气凝胶涂料、气凝胶毡/板在墙体保温、建筑幕墙等领域渗透率处于快速提升期。公开资料未见全国性渗透率权威统计。

新能源汽车电池隔热： 电池热失控防护需求急剧爆发，气凝胶隔热片已成为动力电池模组的主流隔热方案之一。Aspen Aerogels 的 PyroThin™ 产品及国内企业对应产品是典型代表。这一领域对产品一致性、可靠性和供货稳定性要求高，也推动了超临界干燥工艺的优化与常压干燥的竞争渗透。

航空航天： NASA、ESA 等航天机构在深空探测器、火星车（如”毅力号”）中使用超临界干燥气凝胶作为超轻隔热材料。该领域用量最小但技术壁垒最高，对产品性能要求极为苛刻，CO₂ 超临界干燥路线不可替代。

8. 受益公司

超临界干燥作为气凝胶产业链的工艺技术环节，其相关受益方来自设备/辅材供应商和以超临界干燥为主要或重要路线的气凝胶制造商。

8.1 超临界干燥设备与技术供应商

8.2 气凝胶制造商（以超临界干燥为主力或重要路线）

说明： 上述公司的上市状态为截至 2025-04 的公开资料整理，可能发生变化。此处仅为产业链环节梳理，不构成投资建议。

9. 市场规模

9.1 气凝胶整体市场规模

9.2 中国产能演进

9.3 超临界干燥设备市场

超临界干燥设备的独立市场规模，公开资料未见权威第三方统计。该市场属于气凝胶设备投资的一部分，需求主要由气凝胶产能扩张驱动。国内已具备 10–30 MPa 级超临界 CO₂ 干燥高压釜的自主设计制造能力，但在大型连续式系统的自动化控制、密封可靠性和能耗优化等方面，与国际先进供应商仍存在差距，具体市场份额数据公开资料未披露。

10. 玩家对比

10.1 主要气凝胶企业产能与路线对比

国内气凝胶企业已超过 100 家（中国绝热节能材料协会 2023 年统计），其中具备规模化超临界干燥产能的不超过 20 家。以下为部分代表企业的公开信息对比：

10.2 路线差异化格局

气凝胶行业的竞争不仅是企业与企业之间的竞争，更是技术路线（超临界干燥 vs 常压干燥）之间的竞争。2021 年以来，常压干燥路线的成本优势逐渐显现，在毡/板等标准制品市场加速渗透；而超临界干燥在高性能、特种需求领域的不可替代性依然稳固。两种路线的企业均有扩展产线和技术交叉布局的趋势，尚无”赢家通吃”的格局。

11. 风险

11.1 技术替代风险

常压干燥技术的持续进步是超临界干燥最大的技术替代威胁。若常压干燥在更多品类中达到接近超临界干燥的性能（尤其在制备高比表面积、超低密度的完整块状材料方面取得决定性突破），超临界干燥相关设备投资可能面临沉没风险。当前行业共识： 高端超低密度及航空航天级产品短期内仍无替代路径，但中低端市场的替代已在进行中。

11.2 产能过剩与价格竞争风险

2023–2025 年国内气凝胶规划产能集中释放，叠加下游需求增速可能阶段性的不及预期，已出现产品价格下行的明显信号。部分气凝胶毡产品价格从 2021 年的约 8000–12000 元/m³ 下降至 2024 年的 3000–5000 元/m³（行业交流数据，非官方统计，仅供参考），行业正经历”以量换价”阶段。价格战若持续深化，可能抑制企业在设备更新和技术研发上的再投入。

11.3 设备安全与法规风险

超临界干燥涉及 7–30 MPa 的高压操作，属于特种设备监管范畴（《固定式压力容器安全技术监察规程》等法规）。设备事故虽罕见但后果严重，企业须取得相应设计、制造和操作资质。安全合规成本和潜在事故风险是行业参与者必须持续承担的。

11.4 下游集中度风险

油气管道保温和新能源电池隔热两大应用合计占中国气凝胶下游市场超过 50%（2023 年口径）。任何单一领域的需求波动（如新能源车补贴退坡、油气资本开支下滑）均可能对行业产生显著影响。

11.5 生命周期碳足迹尚不清晰

CO₂ 超临界干燥虽有”使用工业副产 CO₂”的绿色形象，但其高压运行的高能耗环节（压缩、温控）的全生命周期碳排放，公开资料未见权威机构发布的系统性 LCA 评估报告。若未来监管对工业过程碳排放收紧，企业可能面临额外的合规成本或不实宣传的声誉风险。

12. 误读纠偏

误区 1：“超临界干燥用的 CO₂ 完全可以内部循环，所以是零碳的”

事实： CO₂ 超临界干燥系统虽然通常配备 CO₂ 回收循环装置，但循环回收率一般在 70–90% 之间（公开文献数据，约 2020 年前后），仍有部分损失。更关键的是，高压压缩和温控环节的电力消耗会产生间接碳排放，这部分在全生命周期评估中不可忽略。所谓”零碳”的说法尚缺乏完整的 LCA 支撑。

误区 2：“气凝胶材料都是超临界干燥做出来的”

事实： 常压干燥（APD）路线近年来规模化应用进展迅速，已有相当比例的气凝胶毡、板类产品由 APD 路线生产。超临界干燥主要用于高品质块状气凝胶和超低密度产品。行业当前是两种（甚至多种）干燥技术并存的格局。

误区 3：“超临界干燥就是成本最高的工艺，未来一定会被替代”

事实： 虽然超临界干燥的单批成本通常高于常压干燥，但其产品性能上限更高，在部分高端场景（航空航天、精密仪器隔热等）无法被替代。同时，随着设备大型化、自动化水平的提升和 CO₂ 回收技术改进，超临界干燥的效率也在持续优化。两种路线不是”谁替代谁”的二元关系，更可能在各自优势领域长期共存。

误区 4：“做气凝胶就等同于掌握超临界干燥”

事实： 超临界干燥是气凝胶制备的工艺环节之一，但气凝胶产业涉及的环节不止于此，还包括前驱体化学、溶胶-凝胶过程控制、老化工序、表面改性、复合增强等。仅拥有干燥设备、缺乏配方工艺能力的企业，在行业中并不具备核心竞争壁垒。

13. 最新事件

2024 年

• Aspen Aerogels 业绩增长： Aspen Aerogels 公布 2024 年全年营收约 2.4 亿美元（公司财报），同比增长显著，其中新能源汽车隔热产品 PyroThin™ 的贡献增加，验证了气凝胶在该领域的需求景气。
• 国内产能持续扩张： 多个宣称 5–10 万立方米/年级的气凝胶项目处于建设或初步投产阶段（各地公开报道），中国气凝胶行业总产能从 2023 年的 30–40 万立方米/年向更高水平攀升。
• 产品价格继续下行： 行业多方交流显示，气凝胶毡等标准产品的市场价格在 2024 年延续了 2023 年的下滑趋势，但公开资料未见权威机构发布统一市场价格指数。

2025 年初

• 政策端持续利好： 气凝胶作为高效节能材料，继续被列入多地新材料产业支持目录。2025 年初，部分地方出台新一轮新材料应用补贴政策，气凝胶建筑保温、工业保温等再次受益。
• 常压干燥技术竞争加剧： 行业观察到越来越多常压干燥路线的企业在技术和产能上发声，对超临界干燥路线形成持续的”性价比”压力。公开资料未见标志性事件或单一重大突破，属于渐进式竞争。

14. 跟踪指标

15. 信源

免责声明： 本文内容仅为行业技术梳理与公开信息重述，不构成任何投资建议。文中数据均标注了来源、口径及年份，部分行业数据为机构估算值，实际情况可能因统计口径差异而有所偏离。对于无法确认的数据，文中已注明”公开资料未见”。市场数据具有时效性，请以最新官方披露信息为准。投资决策请自行评估风险。