常州普威復(fù)合材料科技有限公司


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人形機器人爆火!聚醚醚酮(PEEK)材料扮演什么角色?

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3月19日,據(jù)最新消息,宇樹科技稱,其人形機器人G1全球首次完成側(cè)空翻,引發(fā)關(guān)注。與此同時,聚醚醚酮PEEK材料因其在人形機器人制造中的關(guān)鍵應(yīng)用而備受矚目。


2023年12月,特斯拉展示了Optimus-Gen2二代人形機器人,在不犧牲性能的情況下減重10公斤,并加快行走速度30%,所依靠的是一種輕量化材料——PEEK材料。PEEK是人形機器人生產(chǎn)制造的重要原材料之一。也是這個時候開始,PEEK概念股多次漲停,
PEEK材料最早由英國帝國化學(xué)公司ICI開發(fā)出來,自問世以后很長一段時間被用作一種重要的戰(zhàn)略國防軍工材料,并實施嚴格的封鎖和禁運。PEEK相比于普通材料,在耐熱性方面,即使在260℃的環(huán)境下使用5000小時,強度也幾乎與初始狀態(tài)相同,且熱穩(wěn)定性優(yōu)異,熔點達341℃。還具有優(yōu)異的機械性能和韌性、杰出的化學(xué)抗性以及優(yōu)異的耐磨性和滑動性能
也因此PEEK成為人形機器人核心運動部件和精密結(jié)構(gòu)的革命性材料。另外,其與碳纖維復(fù)合(CF/PEEK),可起到輕量化、耐磨自潤滑、剛性/柔性兼具等優(yōu)點,可用在機器人機身重要關(guān)節(jié)、軸承等領(lǐng)域中。


PEEK在人形機器人中的應(yīng)用

本文就詳細來看看PEEK在人形機器人中具體的應(yīng)用部位:
一、關(guān)節(jié)與傳動系統(tǒng)


  • 諧波減速器:采用30%碳纖維增強PEEK(CF/PEEK),模量達15GPa,密度僅為鋁合金的50%。其高模量特性可降低減速器的變形應(yīng)力,提升阻尼特性,增加柔輪與剛輪的嚙合面積,使承載能力提高30%以上,同時解決金屬材料的共振問題。
  • 軸承與連桿、齒輪:PEEK軸承用于關(guān)節(jié)部位,其耐高溫(260℃)、耐受強酸強堿、耐腐蝕特性適合長期高負荷運轉(zhuǎn),而碳纖維增強的PEEK(CF/PEEK)進一步提升了機械強度和抗沖擊能力。例如,波士頓動力Atlas的膝關(guān)節(jié)齒輪組采用PEEK復(fù)合材料,實現(xiàn)2m高空跌落無損。


PEEK齒輪在關(guān)節(jié)四肢中應(yīng)用,通過注塑成型實現(xiàn)輕量化,相比金屬減重40%,同時保持高耐磨性和自潤滑性。
二、機械臂與運動結(jié)構(gòu)


  • 機械臂核心部件:碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是機械臂的主流材料,其密度僅為鋼的1/3,相同強度下重量更輕,顯著提升機械臂的響應(yīng)速度和高精度操作能力。


CF/PEEK復(fù)合結(jié)構(gòu)在機械臂關(guān)節(jié)連桿中的應(yīng)用,結(jié)合了碳纖維的高模量和PEEK的韌性,實現(xiàn)剛?cè)崞胶?,例如特斯拉Optimus-Gen2的機械臂采用此類材料,整體減重10kg。
三、骨架與支撐結(jié)構(gòu)


  • 輕量化骨架:PEEK材料用于軀干和四肢骨架,密度僅為鋁合金的50%,在特斯拉Optimus-Gen2中實現(xiàn)整體減重10kg,同時保持高強度(彎曲模量達15GPa),提升行走速度30%。


CF/PEEK織物(碳纖維體積含量70%)的拉伸強度與鈦合金相當,但密度僅為其36%,適用于機身承重部位。
四、傳感器與交互系統(tǒng)


  • 六維力傳感器:PEEK彈性體替代鋁合金作為傳感器核心部件,動態(tài)響應(yīng)頻率提升至2kHz(金屬材料500Hz),其輕量化特性降低了慣性質(zhì)量干擾,提升測量精度和響應(yīng)速度,適用于高速作業(yè)環(huán)境。
  • 電子皮膚基底:柔性基底材料如PDMS(聚二甲基硅氧烷)和PI(聚酰亞胺)薄膜常與碳纖維或石墨烯結(jié)合,用于觸覺傳感器。盡管PEEK不直接用于皮膚,但其復(fù)合材料在感知層中輔助提升靈敏度和環(huán)境適應(yīng)性。因為PEEK薄膜介電常數(shù)3.2(PI薄膜3.5),厚度可加工至10μm,支撐500%拉伸應(yīng)變。


五、動力與能源系統(tǒng)


  • 人工肌肉與驅(qū)動器:介電彈性體(DE)結(jié)合碳纖維增強結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)300%的應(yīng)變率和毫秒級響應(yīng),用于仿生肌肉驅(qū)動。
  • 固態(tài)電解質(zhì)電池外殼采用PEEK材料,耐高溫特性保障能量系統(tǒng)的安全性。



布局企業(yè)

當前全球PEEK行業(yè)產(chǎn)能較為集中,全球生產(chǎn)廠商呈現(xiàn)“一超多強”的競爭格局。


  • 英國威格斯是全球**的PEEK生產(chǎn)商,產(chǎn)能達到7150噸/年,約占全球產(chǎn)能的 60%。
  • 比利時Syensqo(由索爾維在2023年底拆分成立)現(xiàn)有PEEK產(chǎn)能2500噸/年,其生產(chǎn)基地主要集中在印度,產(chǎn)品主要出口歐洲和日本。
  • 德國贏創(chuàng)(其主要PEEK生產(chǎn)主體為吉大贏創(chuàng))是第三大PEEK生產(chǎn)商,產(chǎn)能達1800噸/年,產(chǎn)品主要出口歐洲。



CF/PEEK復(fù)合材料

值得一提的是,CF/PEEK復(fù)合可解決塑料脆性問題。PEEK拉伸強度、拉伸模量優(yōu)于其他特種工程塑料/工程塑料,但本身性質(zhì)偏脆,在外力沖擊下易開裂,因此當使用PEEK與碳纖維復(fù)合,碳纖維的高強高模特性,賦予了CF/PEEK復(fù)合材料更高強度、模量以及抗變形特性,因而解決了PEEK易脆問題。


未來發(fā)展

從成本來看,簡單假設(shè)復(fù)合成本是PEEK+碳纖維采購成本的1-2倍,測算當前價格下單個人形機器人CF/PEEK復(fù)合材料成本約占機器人成本的1.48-2.21%。碳纖維體積含量70%的CF/PEEK織物拉伸強度、拉伸模量與鋁合金、鈦合金基本相當,而密度僅為鋁合金的58%、鈦合金的36%,但價格約為鈦產(chǎn)品的2倍。
從技術(shù)來看,國內(nèi)CF/PEEK預(yù)浸料制備技術(shù)因復(fù)合工藝較為復(fù)雜,仍處于實驗室階段,高端碳纖維(如T1100級)依賴日本東麗。光威復(fù)材2月20日在投資者平臺表示,公司近年持續(xù)開展包括PEEK在內(nèi)的熱塑性預(yù)浸料的研發(fā),目前已開發(fā)了PEEK預(yù)浸絲/預(yù)浸帶等熱塑性碳纖維復(fù)材產(chǎn)品,正在進行相關(guān)試驗產(chǎn)線的開發(fā)研制。另外,永卓控股旗下永成新材取得發(fā)展新突破,成功實現(xiàn)YC11S(T1100級別)超高強度碳纖維千噸級工業(yè)化量產(chǎn)。
從產(chǎn)業(yè)鏈來看,PEEK的主要原料二氟二苯甲酮(DFBP),全球產(chǎn)能集中于國內(nèi)企業(yè)包括新瀚新材、中欣氟材、興福新材三家企業(yè)。其中,中欣氟材的DFBP產(chǎn)品已得到多家國內(nèi)外客戶的質(zhì)量認證,并且已經(jīng)獲得了部分國內(nèi)外客戶的批量訂單。然而每生產(chǎn)1噸PEEK需要消耗0.7-0.8噸氟酮單體,按照全球人形機器人行業(yè)的發(fā)展,將拉動氟酮的需求量增長。
從市場規(guī)模來看,2024年全球PEEK市場規(guī)模約為61億元,預(yù)計到2027年市場規(guī)模將達到85.4億元,CAGR達11.38%。根據(jù)機構(gòu)預(yù)測,我國PEEK產(chǎn)品需求量在2022年至2027年期間繼續(xù)以16.82%年復(fù)合增長率增長,預(yù)計2027年將達到5079噸。
從全球下游應(yīng)用領(lǐng)域看,PEEK材料當前已經(jīng)在汽車、航空航天、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。隨著市場對PEEK特性理解的不斷加深,以及PEEK樹脂產(chǎn)量和工藝不斷提升,其消費量也將逐步增加,應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。
在人形機器人領(lǐng)域,其對材料輕量化、高強度、高精度等要求與PEEK材料的性能高度契合,國內(nèi)已有廠家將PEEK材料應(yīng)用于人形機器人的關(guān)節(jié)、軸承、齒輪等部件,形成配套生產(chǎn)鏈。2025年1月馬斯克曾表示,如果一切順利,2027年特斯拉有望生產(chǎn)50萬臺機器人。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測算,每10萬臺采用復(fù)合材料設(shè)計的機器人,需要195噸PEEK材料。隨著人形機器人量產(chǎn)(預(yù)計2030年市場規(guī)模達120億美元),未來PEEK的應(yīng)用將進一步向精密化、多功能集成方向發(fā)展,PEEK材料的需求也將大幅提升