建材新材料动态报告：碳纤维是人形机器人轻量化的核心材料

碳纤维是人形机器人轻量化的核心材料 2023年11月13日 ➢机器人轻量化核心材料，碳纤维应用于机械手等部位 推荐 维持评级 技术进步+巨头入局+政策支持，人形机器人产业趋势明确。未来5年人形机器人市场有望持续高增。根据StratisticsMarket Research Consulting数据，2027年全球人形机器人市场规模预计为141亿美元，2020-2027年CAGR达58.5%。 机器人前期受限于灵活性差、工作效率低等因素影响，在部分领域无法大规模推广，而机器人本体轻量化技术是解决以上问题的主要途径之一。碳纤维应用于机器人轻量化结构材料，主要优势体现在：①自重轻、能耗低，生产效率高，机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，功能多样化，碳纤 维复 合材料 的比 强度、 比模量 均比钢高， 其抗拉强度 一般在3500MPa以上，是钢的7-9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，维护/更新频率低。 分析师李阳执业证书：S0100521110008邮箱：liyang_yj@mszq.com研究助理赵铭 执业证书：S0100122070043邮箱：zhaoming_yj@mszq.com 参考已发布的机器人机械臂，利用碳纤维材料可帮助机械臂达到轻量化效果。目前碳纤维应用场景包括机械手、部分关节部位、感知鞋等。 ➢弹性测算：2027年有望拉动5000吨以上碳纤维销量 相关研究 我们预计单个人形机器人碳纤维用量约7-8kg，据此测算2027年全球人形机器人行业拉动碳纤维增量约为5287.5万吨。2022年全球碳纤维需求为13.5万吨，新增需求占比约3.9%，有望成为碳纤维下一个重要增长极。 1.建材建筑周观点20231112：重视内蒙生态修复，看好中央加杠杆空间-2023/11/122.建材建筑周观点20231105：关注11-12月年底政策动向，赶工+天气佳水泥旺季特征再现-2023/11/053.大国重材系列十一：纯碱和玻璃的周期属性探讨-2023/11/034.建材建筑周观点20231029：重点关注内蒙地方化债，重视保障房&城中村改造-2023/10/295.建材建筑周观点20231022：地产新平衡下，产业链应正确预期、提前适应-2023/10/22 ➢碳纤维扩产/降价/降本大周期已开启，开拓新领域可期 近2年国内碳纤维扩产幅度较大，2021-2022年国内碳纤维新增产能分别为2.67、4.93万吨，年末在产产能同比增速分别为74%、79%。扩产后降价/降本大周期开启，碳纤维作为复合材料，在轻量化、材料强度、模量等方面较传统金属合金及其他复合材料具备明显优势，前期市场空间相对受限，主因系碳纤维单价高，我们看好降价/降本大周期下碳纤维拓宽应用领域。复盘碳纤维在碳碳复材、风电叶片、压力容器等领域发展过程，通常会经历：某一下游需求迫切需要碳纤维提高其产品性能，以应用于其高端领域——>高端领域率先渗透——>碳纤维性价比奋起直追——>对传统材料实现大规模替代。 ➢投资建议：碳纤维满足轻量化需求，比强度、比模量远高于传统金属合金，是机器人轻量化核心材料，可应用于机械手等部位。我们测算，2027年全球人形机器人行业有望拉动碳纤维增量5287.5万吨，有望成为碳纤维下一个重要增长极。碳纤维扩产/降价/降本大周期已开启，开拓新领域可期，建议关注中复神鹰、光大同创。 ➢风险提示：新应用领域拓展不及预期；行业新增产能投放的风险；原材料价格大幅波动。 目录 1碳纤维是人型机器人轻量化的核心材料....................................................................................................................3 1.1技术进步+巨头入局+政策支持，人形机器人产业趋势明确.....................................................................................................31.2碳纤维是机器人轻量化核心材料，用于机械手等部位...............................................................................................................41.3弹性测算：2027年有望拉动5000吨以上碳纤维用量.............................................................................................................71.4碳纤维扩产/降价/降本大周期已开启，开拓新领域可期...........................................................................................................8 2.1行业投资建议....................................................................................................................................................................................122.2重点公司............................................................................................................................................................................................12 插图目录..................................................................................................................................................................16 1碳纤维是人型机器人轻量化的核心材料 1.1技术进步+巨头入局+政策支持，人形机器人产业趋势明确 技术进步+巨头入局+政策支持，人形机器人产业趋势明确： ⚫根据中国计算机学会专家的定义，具身智能是指，基于物理身体进行感知和行动的人工智能系统，其通过智能体与环境的交互获取信息、理解问题、做出决策并实现行动，从而产生智能行为和适应性。人形机器人有望成为实现具身智能的最佳形态之一，而今年以来AI大模型快速发展，推动人形机器人技术发展进步； ⚫2021年8月，特斯拉公布研发人形机器人计划。经过2年快速迭代，目前人形机器人Optimus已可以自主对物品分类，具有视觉自标定、颜色分拣任务、单脚保持平衡等能力，在感知、大脑、运动与控制方面具备多项亮点。巨头入局，带动国内外众多玩家投资人形机器人行业； ⚫政策重磅支持，2023年11月2日工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，规划到2025年，人形机器人创新体系初步建立，“大脑、小脑、肢体”等一批关键技术取得突破，确保核心部组件安全有效供给。到2027年，人形机器人技术创新能力显著提升，形成安全可靠的产业链供应链体系，综合实力达到世界先进水平。 资料来源：特斯拉机器人X官方账号，民生证券研究院 未来5年人形机器人市场有望持续高增。根据StratisticsMarket ResearchConsulting数据，2027年全球人形机器人市场规模预计为141亿美元，2020-2027年CAGR达58.5%。其中，2027年我国人形机器人市场规模预计为23亿 美元，占全球市场的16.3%，2020-2027年CAGR达56.4%。 资料来源：StratisticsMarket Research Consulting，民生证券研究院 资料来源：Stratistics Market Research Consulting，民生证券研究院 1.2碳纤维是机器人轻量化核心材料，用于机械手等部位 机器人前期受限于灵活性差、工作效率低，无法规模推广。而机器人本体轻量化技术是解决以上问题的主要途径之一，本体轻量化后的机器人可大幅提高运动机动性+工作效率，改善操作速度+动作准确度，同时减轻运动惯性，提高机器人安全性。 机器人轻量化结构材料需满足：①强度高，②较大的弹性模量和弹性极限，③较大的震动阻尼，④轻量化等性能。传统工业机器人制造最常见材料是各种合金钢等，当前机器人常用轻量化材料包括镁合金、铝合金、碳纤维复合材料、工程塑料等。 碳纤维应用于机器人轻量化结构材料，主要优势体现在： ⚫自重轻、能耗低，生产效率高。机械臂自重越轻，其运动惯量越小。碳纤 维复合材料密度仅为钢材的1/3，较铝合金轻30%，轻自重意味着机械臂运转过程中需消耗的能量更少，运行更轻便快捷。 ⚫强度大、承载多，功能多样化。机械臂在实现轻自重同时，要保证具备足够负载能力。机械手臂承受的基本重量包括手臂本身重量+其手爪抓取工件的最大重量，碳纤维复合材料的比强度、比模量均比钢高，其抗拉强度一般在3500MPa以上，是钢的7-9倍。 ⚫蠕变小、精度高，适应能力强。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。例如一款专为电力巡检机器人配备的矩形可伸缩式机械臂管，其在严寒、高温等恶劣气候环境下工作性能稳定，可精确快速地完成指令，因此在许多特定工作环境下，机器人设计优先选择碳纤维复合材料。 ⚫耐疲劳、寿命长，使用成本低。碳纤维复合材料具有良好的耐疲劳性，维护/更新频率低。碳纤维复合材料机械臂的实际耐疲劳性一般受制于复合材料铺层方向与载荷方向的角度设计，需针对机械臂所承受载荷与实际工况设计专门制作方案。 参考目前已发布的机器人机械臂，利用碳纤维材料可帮助机械臂达到轻量化效果。 碳纤维应用场景包括机械手、部分关节部位、感知鞋等： （1）机械手。根据《碳纤维复合材料在机械手臂中的应用》（作者：张国良等，张国良为中复神鹰董事长），制造碳纤维机械手臂的生产流程主要为裁布、卷布、设计、整体成型、打磨、涂装、包装等，其中：①横走部分采用大型碳纤维结构框架，②引拨部分采用双梁机构、主体采用优质碳纤维型材梁，③主臂部分采用双截倍速结构，主体采用优质碳纤维型材。碳纤维机械手臂采用三轴AC伺服马达驱动。 资料来源：《碳纤维复合材料在机械手臂中的应用》（作者：张国良等），民生证券研究院 资料来源：挪恩复材官网，民生证券研究院 资料来源：博实碳纤维官网，民生证券研究院 （2）滑块矩形管、固定槽钢等部分关节部位。根据《T轴碳纤维高速桁架机器人的设计》数据，桁架机器人用于轮胎制造环节，为满足不同工况对高速桁架机器人强度、寿命、质量的要求，T轴滑块矩形管、Z轴固定槽钢和Z轴滑块矩形管采用碳纤维材料。 （3）感知鞋。根据《一种基于碳纤维的智能机器人感知鞋》专利，通过设置 碳纤维鞋身、碳纤维鞋底，可使机器人鞋子具有良好的硬度、强度、柔韧度，同时碳纤维鞋底内嵌装多个姿态传感器和压力传感器、鞋底中部嵌装微处理芯片，通过微处理器对数据进行分析处理。 资料来源：《一种基于碳纤维的智能机器人感知鞋》（作者：西安芬迪奇碳纤维），民生证券研究院 资料来源：《T轴碳纤维高速桁架机器人的设计》（作者：任文海等），民生证券研究院 1.3弹性测算：2027年有望拉动5000吨以上碳纤