碳纤维与PEEK：人形机器人轻量化核心材料

         

图1：OptimusGen2

图2：Figure01

表1：2017-2023中国人形机器人行业投融资事件汇总

表2：2016-2024年中国机器人相关产业政策

         

图3：全球人形机器人市场规模（亿美元）

人形机器人的体重需要严格把控，若体重过重，则会加重伺服电机的扭矩负担，难以满足驱动机器人行动的要求。各机器人制造公司在满足机器人高速度和高精度基础性能要求的基础上，通过运行轻量化技术减轻机器人的自重，不仅提升了机器人的综合性能同时还降低了能耗，减少了环境污染。机器人轻量化结构材料需要满足以下要求：

（1）强度高：在工业生产中机器人结构材料必须保证一定的强度，否则将会增加安全事故的产生并影响机器人的使用寿命。

（2）较大的弹性模量和弹性极限：机器人需要在服役过程中承受外力，因此需要具有抵抗弹性变形的能力，同时要尽可能的避免服役过程中的塑性变形，这是机器人精确控制的基础。

（3）较大的震动阻尼：因为机器人部件启动，制动的过程中会由于自身惯性，造成局部受力，并产生局部的震动，为了精确定位，稳定传动，需要材料本体吸收这部分的震动阻尼。

（4）轻量化：机器人材料的轻量化可以减少使用能耗，降低运动惯性从而降低部件受力，同时减少传动部件的负担。在特殊服役环境下，如航天领域，轻量化的结构能够尽可能的为其他部件设计提供自重余量。

先进复合材料性能优于金属。与铝合金等传统金属材料相比，碳纤维等现代复合材料为生产重量更轻、强度更高的机器人结构部件提供了高性能解决方案。碳纤维的轻质与其伴随的强度相匹配，因此改进的复合材料对人形机器人的未来发展至关重要。

碳纤维在人形机器人中的应用主要在于机械臂。国内市场中的机械手臂多数采用钢、铁、铝合金等金属材料制造。这种金属材料制作成的机械手臂存在速度慢、能耗大、易变形磨损等缺点，并且这些金属材料的成型条件复杂，成型难度大，且抗震性及抗氧化性不佳。采用碳纤维增强材料制作的机械手臂，其优势体现在：

（1）自重轻、能耗低，生产效率高，碳纤维复合材料密度仅为钢材的 1/3，较铝合金轻30%。 

（2）强度大、承载多，碳纤维复合材料不论是比强度、比模量，还是抗拉强度，均比钢更强，比强度甚至是钢铁材料的 43 倍。 

（3）蠕变小、精度高，碳纤维复合材料热膨胀系数极低、蠕变小，能够适应温差较大的工作环境。 

（4）碳纤维复合材料具有良好的耐疲劳性、耐磨损，降低维护或更新的频率。

仿生骨骼领域碳纤维应用是近几年的研究热点。碳纤维的质量轻、比强度（强度密度比）和比模量（模量密度比）高，制作相同强度的机械手臂，选用碳纤维复合材料（CFRP）可以做得很轻。由于碳纤维复合材料所具有的这些优异的性质，其在机器人工业领域方面是近几年的研究热点： 

（1）为了兼顾轻量化和安全性，2012 年美国仿生控股有限公司（EksoBionic）推出的康健型的下肢外骨骼系统 Ekso 的关键部位采用了大量的铝合金、钛合金和碳纤维的复合材料。

 （2）日本松下电器产业株式会社(Panasonic)在 2015 年 9 月推出的质量仅为 6kg 的可穿戴式机器人“AssistSuite”，其零部件主要采用了碳纤维复合材料，机器人用于辅助重物装卸作业。

         

（3）北京邮电大学研制的一款新型机器人碳纤维臂杆，采用碳纤维降低了机器人手臂的自重，从而减少了震动、运动惯性、降低了能耗，同时实现了机器人手臂更加平稳的移动。

（4）无锡威盛新材料提供的相关产品数据证明，使用碳纤维复合材料制作的机械臂，能够有着比起传统钢铁材料和铝合金更加均匀的载荷分布，整体质量比铝合金材质减轻。除此之外目前已发布的机器人机械臂，如德国宇航中心第三代轻型机械臂（LWRⅢ）、Kinova 的 7 自由度 JACO 机械臂、挪恩复材、江苏博实等公司产品均利用碳纤维材料帮助机械臂达轻量化效果。

             

图7：KinovaGen2机械臂              

2.2. 特斯拉最新一代机器人采用 PEEK 减重的同时，性能进一步提升

2.2.1. 聚醚醚酮（PEEK）以其优异的性能在中高端领域逐步替换金属材料

聚醚醚酮（PEEK）是一种具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、自润滑等优异性能的特种工程塑料，适用于人形机器人、新能源汽车、医疗器械等对轻量化要求较高的领域。2023 年 12月 12 日，特斯拉最新一代机器人 Optimus-Gen2 的升级引起广泛关注。该产品成功应用“树脂之王”PEEK 材料，使机器人的重量减轻 10kg，行走速度提升 30%，其他性能进一步加强。

表5：PEEK主要特性

PEEK 与其他塑料相比，具备较强性能优势。相较于主要工程塑料、特种工程塑料，PEEK性能全面，在刚性方面优于绝大多数特种工程塑料的同时，也兼具韧性，展现了全面的机械性能，此外在耐热、耐磨、耐腐蚀等方面均表现优异。因此，PEEK 是公认的全球性能最好的热塑性材料之一。

表6：PEEK与主要工程塑料、特种工程塑料性能对比情况

在“以塑代钢”、“轻量化”的大背景下，PEEK 以其优异的性能在中高端领域逐步替换金属材料的使用。PEEK 作为一种高分子新材料，其主要用于替代金属材料， PEEK 比强度大，在满足强度要求的前提下，可以大幅度减小材料本身的自重，成为实现“轻量化”的解决方案。此外 PEEK 在绝缘性、耐化学性方面均优于普通金属。因此 PEEK 材料逐渐取代金属材料和工程塑料，提高人形机器人耐用性和性能的趋势明显。

表7：PEEK与通用金属材料指标对比情况

2.2.2. 行业整体呈现供大于求，国产替代趋势明显

PEEK 属于合成树脂制造行业，制备工艺较为复杂。行业上游是化学原料和化学纤维制造行业，下游应用于交通运输、航空航天、电子信息、能源及工业、医疗健康等行业。以中研股份工艺路线为例，其采用的是亲核取代路线，即氟酮和对苯二酚在碱金属盐存在的条件下，以二苯砜为溶剂，在 280℃-340℃条件下进行缩聚反应，然后再通过丙酮和水去除残留的溶剂和盐，经过干燥工艺获得高分子量的 PEEK 树脂，然后根据产品性能需要，将玻纤、碳纤、聚四氟乙烯、石墨等加入到挤出机中与粗粉共同进行挤出，得到复合增强类树脂颗粒。

         

图9：PEEK纯树脂和复合增强类树脂工艺流程

         

图10：PEEK产业链示意图

原材料成本占比较高。2022 年中研股份 PEEK 材料生产成本中原材料/制造费用/人工/能源动力及运输费占比 75%/11%/8%/6%，原材料主要包括氟酮、对苯二酚、二苯砜、碳酸钠等。其中氟酮是合成 PEEK 最关键的原材料，其纯度、品质将直接影响 PEEK 的产品质量。材料成本主要来自氟酮，每生产 1 吨 PEEK 需要消耗约 0.7-0.8 吨氟酮单体。

         

图11：2022年PEEK成本拆分（纯树脂颗粒）

中国 PEEK 市场规模增速将大于全球。根据弗若斯特沙利文披露的数据，中国市场 PEEK市场规模由 2018 年的 8 亿人民币增至 2022 年的 15 亿人民币，复合增长率达到了 17.01%。预计到 2027 年，中国本土新能源、半导体和医疗等高端制造业的产能将得到进一步释放，市场规模将由 15 亿元提升至 28 亿元，年复合增长率约 13.3%。

         

图12：全球2018-2027PEEK市场规模及预测

全球来看，PEEK 主要为国外三家企业供给。 据中国化信咨询的数据，2022 年全球 PEEK总产能约 1.6 万吨/年，前 3 大生产企业合计占据全球产能的 80%。威格斯是全球最大的PEEK 生产商，产能 8650 吨/年，占全球总产能的 50%以上；其次是索尔维和赢创，产能分别为 2500 吨/年和 1800 吨/年。威格斯和赢创在中国大陆均有生产基地。其中，威格斯与营口兴福的合资企业盘锦伟英兴于 2022 年 9 月建成了 1500 吨/年产能；吉大赢创在2022 年 8 月完成股权变更后已由赢创 100%控股，但产品基本出口至欧美地区。

         

图13：威格斯PEEK解决方案应用

国内企业产能扩展迅速。2022 年，中国共有 8 家 PEEK 生产企业，总产能和产量分别为6050 吨/年和 2380 吨，同比增长 70.4%和 11.9%。中国本土 PEEK 代表企业是中研股份和浙江鹏孚隆。其中，中研股份的工艺技术水平在国内处于领先地位，能够提供各种级别的产品。未来 5 年，全球 PEEK 新建项目主要集中在中国。2023 年中国投产的 PEEK 项目为沃特股份 2000 吨/年 PAEK（包括 900 吨 PEEK，100 吨 PEKK）项目，中国 PEEK 产能有望增至 6950 吨/年。

         

图14：2022年全球PEEK竞争格局

国产 PEEK 产品质量不断提升，逐步缩小了与国外产品的差距，并且价格具有很强的竞争力。根据英国威格斯年报，PEEK 在工业和医疗领域的定价差距巨大。威格斯工业级 PEEK的售价约为 55 万元/吨，医疗级 PEEK 大约为 245 万元/吨。根据中国化信咨询披露的信息，在国际市场上，标准级 PEEK 售价一般为 80-100 万元/吨，而国产产品平均售价在 50万元/吨以内。国内企业在原料和设备方面立足于国内的同时不断提高产能，取得了成本优势，使国产 PEEK 的市场售价显著低于国际市场价格。

表8：威格斯与中研股份价格对比

碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）高性能热塑性复合材料是未来人形机器人的核心材料。碳纤维增强 PEEK 复合材料（CF/PEEK），指碳纤维以粉末、颗粒、连续纤维（长纤维）或者织物形式增强 PEEK 树脂基的复合材料。与传统铝合金和不锈钢相比，铝合金的密度为2.8g/cm³，不锈钢的密度为 7.3g/cm³，连续 CF/PEEK 复合材料的密度为 1.5-1.6g/cm³，具有重量轻，强度高的优势。与传统的碳纤维粉末改性材料相比，碳纤维的高强度、高模量特性赋予了 CF-PEEK 复合材料高强度、高弹性模量和抗变形特性。机械强度提高至少 3 倍，模量也提高至少 3 倍，具有更好的尺寸稳定性和抗变形性。

表9：PEEK纯料和复合材料主要牌号及典型性能指标

CF/PEEK 生产技术亟待突破。目前 CF/PEEK 生产技术由日本东丽、英国威格斯等少数公司掌握，主要应用于航空航天等尖端领域。国内 CF/PEEK 的研发集中在高校、科研院所和极少数企业之中。国外核心制造技术及相关装备都被严格保密，对中国实施严苛的封锁政策。国内大多数 CF/PEEK 产品，如预浸带、预浸板多依靠进口，数量无法满足需求、应用成本较高，极大限制了国内市场对此类产品的大范围应用。目前国内多家 PEEK 企业正加大投入进行 CF/PEEK 研发工作。

人形机器人的量产较大拉动 PEEK 行业需求。PEEK 和碳纤维材料在人形机器人中的应用范围主要为机械臂，特斯拉第二代机器人手臂使用的是连续碳纤维复合材料单项带，其中单向增强碳纤维与 PEEK 的比例约为 55%比 45%，若两个机械臂的重量约为 10kg，50%使用 CF/PEEK 复材，估算碳纤维与 PEEK 用量为 5.5kg 与 4.5kg。按照上文三种方式估计人形机器人的数量，对应碳纤维及 PEEK 用量如下表所示。以 2022 年碳纤维及 PEEK 行业对比来看，人形机器人的量产对于 PEEK 行业需求弹性拉动较大。

表11：人形机器人碳纤维和PEEK市场规模测算

3.1. 碳纤维公司

3.1.1. 光威复材