建材新材料行业研究：PEEK碳纤维复合，引领人形机器人轻量化浪潮

CF/PEEK复合有望在机器人机身重要关节率先渗透 通过PEEK与碳纤维复合，“以塑代钢”应用于机器人领域，可起到轻量化、耐磨自润滑、刚性/柔性兼具等优点，有望在机身重要关节、轴承等领域率先渗透： （1）六维力传感器：当机器人处于高速作业环境时，多维力传感器处于多维加速度场中，传感器弹性体惯性质量附加的惯性力矩会形成测量误差。因此，轻量化、灵敏度更高、满足其它力学性能的材料更适用于制作传感器弹性体，PEEK材料契合以上特点，因此可被选为替代铝合金制作六维力传感器的弹性体。 （2）谐波减速器：相较金属基，采用CF/PEEK制备的谐波减速器具备①变形应力程度低，②阻尼特性好、能有效降低发生共振的可能性，③柔轮与刚轮齿的接触齿数以及啮合面积增加，提升谐波减速器的承载和抗冲击能力，④疲劳寿命更优等特点。 CF/PEEK复合可解决塑料脆性问题的同时实现轻量化 市场普遍关心①PEEK材料较脆，②单价偏贵等问题，我们认为： （1）CF/PEEK复合可解决塑料脆性问题。塑料材质本身偏催、在外力冲击下易开裂，PEEK拉伸强度、拉伸模量优于其他特种工程塑料/工程塑料，但低于传统金属，而机器人使用场景显然对强度、模量有要求。为解决PEEK低温脆性问题，当前常用做法为PEEK与碳纤维复合，碳纤维高强高模特性，赋予复合材料更高强度、模量以及抗变形特性。 （2）参考PEEK在汽车领域应用，新能源汽车行业对价格敏感度非常高，PEEK在单价偏高的情况下，仍然在部分高端领域（如主动力轴承、800V高压快充漆包线）因性能优势率先实现替代。2022年PEEK在国内汽车市场空间约526.87吨，占下游需求比重达22%。 弹性测算：每10万台采用复合材料设计的机器人拉动PEEK增量约195吨 2025年1月马斯克表示，如果一切顺利、2027年特斯拉有望生产50万台机器人。同时，机器人主机厂商不断横向扩散，国内多家巨头下场。我们测算，每10万台采用复合材料设计的机器人，需要195吨PEEK材料。考虑到人形机器人的需求前景非常可观，PEEK材料应用空间可期，人形机器人有望成为PEEK又一增长极。 考虑到目前常用于制造连续CF/PEEK预浸料的技术国内可能仍处于实验室阶段，同时复合工艺较为复杂，我们简单假设复合成本是PEEK+碳纤维采购成本的1-2倍，测算当前价格下单个人形机器人CF/PEEK复合材料成本约2645-3967元，占机器人成本的1.48-2.21%。碳纤维体积含量70%的CF/PEEK织物拉伸强度、拉伸模量与铝合金、钛合金基本相当，而密度仅为铝合金的58%、钛合金的36%，价格约为钛产品的2倍。 受益行业及标的梳理 受益行业及标的方面（1）PEEK：全球PEEK呈现“一超多强”的供给格局，2016年起国内企业打破国外公司在部分高端应用领域垄断，性价比较国外公司凸显。（2）氟酮：每生产1吨PEEK需消耗0.7-0.8吨氟酮单体，我们预计2027年全球人形机器人行业拉动氟酮增量约为1463吨。 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。 1谐波减速器+力矩传感器是机械臂核心零部件 人形机器人产业趋势明确，2025年1月马斯克表示，特斯拉2025年将生产数千台Optimus机器人，并先在特斯拉工厂测试。如果一切顺利，特斯拉可能2026年生产5-10万台机器人，2027年生产50万台机器人。 同时，机器人主机厂商不断横向扩散，国内多家巨头下场：①2024年11月华为（深圳）全球具身智能产业创新中心企业合作备忘录签署，乐聚机器人、兆威机电、大族机器人、墨影科技、拓斯达、自变量机器人等企业参与签约；②字节已准备机器人团队，计划生产一些服务字节自己的电商履约需求，能在仓库里分拣、打包货物的机器人；③阿里，2024年7月通用机器人公司“逐际动力”完成A轮战略融资，由阿里巴巴等企业领投；④海尔，2025年2月A股上市公司新时达（主业为工业机器人）控股股东变更为海尔集团。 以Tesla Optimus为例，其上肢采用无框电机+谐波减速器的旋转关节方案，基本上和当前协作机械臂的关节方案高度类似，即无框力矩电机+谐波减速器+高低速双编码器+抱闸+力矩传感器+输出端交叉滚子轴承。 图表1：机器人机械臂关节方案 （1）力矩传感器。传感器作为机器人核心零部件，是力控摆动、稳定控制的核心，可精准测量随机变化的力，价值量或仅次于关节模组。六维力传感器是目前维度最高、力觉信息反馈最全面、难度最大的力觉传感器，其在人形机器人成本中占比约15%，可应用于机器人的灵巧手、手腕、脚踝、各关节等部位。 图表2：六维力传感器在人形机器人上的应用 （2）谐波减速器。减速器起连接动力源和执行机构之间的桥梁作用，能将高速低扭矩的动力转换为低速高扭矩的输出，从而满足机器人各部位对速度和精度的要求。谐波减速器的结构特点，使其对精度要求较高、对负载要求相对较低，因此在机器人需要进行精确控制的部位，如小臂、腕部和手部等区域，谐波减速器应用增多。 谐波减速器下游应用领域主要为机器人。根据绿的谐波招股说明书数据，2017-2019年谐波减速器下游应用领域主要为关节机器人（占比36%）、协作机器人（32%）等。精密减速器（含RV减速器、谐波减速器等）成本约占工业机器人总成本的36%。 图表3：2017-2019年谐波减速器下游应用领域拆分 图表4：工业机器人成本构成 2CF/PEEK复合有望在机身重要关节率先渗透 PEEK中文名为聚醚醚酮，是一种特种工程塑料，性能、商业价值方面在塑料里处于金字塔顶尖材料，拥有耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、阻燃性、电绝缘性等综合性能。 图表5：PEEK性能优点 替代通用金属：PEEK性能全面优于普通金属，比强度大，在满足强度要求前提下，可以大幅减小材料自重，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； 替代医用金属：PEEK密度、弹性均非常接近人体骨骼水平，且不易导热，增加植入后舒适性。同时PEEK作为非金属材料，可被X射线穿透和实现 Ct 扫描，方便患者进行医疗检查，相较锆、钛合金，更适合作为医用植入式材料。 图表6：PEEK以其优异的性能，在中高端领域逐步替换金属材料 图表7：PEEK在密度、弹性模量方面与人体骨骼十分接近，正在快速替代部分医用金属 人型机器人产业趋势明确，通过PEEK与碳纤维复合，“以塑代钢”应用于机器人领域，可起到轻量化、耐磨自润滑、刚性/柔性兼具等优点，有望在机身重要关节（如六维力传感器、谐波减速器）、轴承等领域率先渗透。 2.1六维力传感器：PEEK材料轻量化+灵敏度远高于铝合金 当机器人处于高速作业环境时，多维力传感器处于多维加速度场中，传感器弹性体惯性质量附加的惯性力矩会形成测量误差。针对以上问题，在传感器弹性体结构确定的基础上，寻找轻量化弹性体材料、可使弹性体惯性更小。 目前，电阻应变式多维力传感器的弹性体大部分采用金属材质，如合金钢、不锈钢、铝合金等。电阻应变式六维力传感器的灵敏度主要与弹性体结构和尺寸有关，十字梁型弹性体越薄、灵敏度越高，但十字梁太薄不利于应变片粘贴。 因此，灵敏度更高+满足其它力学性能的材料更适用于制作传感器弹性体。PEEK是所有树脂中韧性和刚性结合最优的材料，且具备与合金材料媲美的对交变应力的优良耐疲劳性，同时具备良好的绝缘性和电气性能，因此可被选为替代铝合金制作六维力传感器的弹性体。 图表8：PEEK弹性体-用于六维力传感器 图表9：铝合金弹性体-用于六维力传感器 有限元分析结果：PEEK弹性梁的应变灵敏度远远高于铝合金弹性梁，例如PEEK弹性梁受到𝐹𝑋=30的作用力时，梁上最大应变是5.243×10，而铝合金弹性梁受到𝐹𝑋=200N的作用力时，梁上最大应变是1.296×10； -3 − 静态性能指标结果：PEEK传感器灵敏度是铝合金传感器的数十倍以外，其他静态指标如线性度、重复性、迟滞等相差不大。 图表10：有限元分析结果为，PEEK弹性梁的应变灵敏度远远高于铝合金弹性梁 图表11：静态性能指标结果为，PEEK传感器灵敏度是铝合金传感器的数十倍 2.2谐波减速器：CF/PEEK制备性能更优 除比强度、耐磨性等优势外，相较金属基短筒谐波减速器，采用CF/PEEK制备的谐波减速器具备①变形应力程度低， ②阻尼特性好、能有效降低发生共振的可能性，③柔轮与刚轮齿的接触齿数以及啮合面积增加，提升谐波减速器的承载和抗冲击能力，④疲劳寿命更优等特点。 （1）较金属基短筒谐波减速器，相同负载下PEEK基复合材料的变形应力仅为钢材的1/7，因此设计结构在较小轴向尺寸的情况下，仍能选择较大的轮齿模数及径向变形系数，结构设计更加自由； 图表12：金属基短筒谐波减速器变形应力是PEEK基复合材料的数倍 （2）PEEK基复合材料谐波减速器整机各阶固有频率较金属基提升40-45%，表明PEEK基复合材料谐波减速器具有更好的阻尼特性，能有效降低发生共振的可能性。 图表13：CF/PEEK材料制造的柔轮，各阶固有频率较金属制柔轮提升约45% （3）在负载20N·m、转速2000rad/min的额定工况下，PEEK复合材料谐波减速器参与啮合的齿数变多，接触齿数达52对，较金属提升47%。柔轮与刚轮齿的接触齿数以及啮合面积增加，可增大了齿轮副的啮合区域，接触压力分布在更多轮齿表面上，可提升谐波减速器的承载和抗冲击能力。 图表14：CF/PEEK谐波减速器接触齿数明显高于金属制谐波减速器 （4）相同结构下的CF/PEEK短筒谐波减速器具有更好的疲劳寿命，传统金属制谐波减速器变形应力过大，在循环周期次数达2.9万次时，柔轮轮齿处遭遇静力破坏。采用PEEK复合材料制造的柔轮，预计可循环次数达56.4万次，疲劳寿命达939.5h。 图表15：CF/PEEK柔轮疲劳寿命 图表16：金属制柔轮疲劳寿命 2.3CF/PEEK复合可解决塑料脆性问题的同时实现轻量化 除价格、加工难度等因素外，PEEK材料在低温下可能会变脆，限制其在寒冷环境中使用。为解决PEEK低温脆性的问题，当前常用做法为PEEK与纤维材料（如碳纤维，CF即碳纤维）有效复合，CF/PEEK复合材料中连续碳纤维的高强高模特性，赋予复合材料更高强度、模量以及抗变形特性。因此，CF/PEEK复合材料以其抗弯曲曲面韧性好、抗疲劳性好，具有单向带材无法替代的优势，应用于对曲面要求较高的场合。 连续CF/PEEK复合材料较粉状CF或短切纤维改性的PEEK复合材料，力学性能明显提高。同时，CF纤维含量越高，拉伸强度、拉伸模量呈倍数提高，拉伸强度、拉伸模量整体可提升2-6倍。 图表17：CF纤维含量越高，拉伸强度、拉伸模量越高（蓝柱拉伸强度，红柱拉伸模量） 市场普遍关心PEEK材料较脆，主因系塑料材质本身偏催、在外力冲击下易开裂，PEEK拉伸强度、拉伸模量优于其他特种工程塑料（PTFE、PI等）/工程塑料（PPS、PA66等），但明显低于传统金属，而机器人使用场景显然对强度、模量有要求。根据《CF/PEEK复合材料的性能研究》数据，碳纤维体积含量70%的CF/PEEK织物拉伸强度、拉伸模量与铝合金、钛合金基本相当，而密度仅为铝合金的58%、钛合金的36%，因此通过CF/PEEK复合，可在解决塑料脆性问题的同时实现轻量化。 图表18：各材料拉伸强度（MPa）比较，其中CF/PEEK复合材料采用碳纤维体积含量70%的织物数据 图表19：各材料拉伸模量（GPa）比较，其中CF/PEEK复合材料采用碳纤维体积含量70%的织物数据 图表20：随着CF含量增加，CF/PEEK复合材料密度逐渐增加 图表21：CF/PEEK复合材料较纯PEEK材料牺牲一小部分轻量化性能，但密度仍明显低于铝合金、钛合金 （注：I为CF粉增强PEEK复合材料，碳纤维体积含量25%；Ⅱ为短切CF增强PEEK复合材料，碳纤维体积含量25%； Ⅲ、Ⅳ、