人形機(jī)器人爆火！聚醚醚酮（PEEK）材料扮演什么角色？

3月19日，據(jù)最新消息，宇樹科技稱，其人形機(jī)器人G1全球首次完成側(cè)空翻，引發(fā)關(guān)注。與此同時(shí)，聚醚醚酮（PEEK）材料因其在人形機(jī)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(jī)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(jī)器人生產(chǎn)制造的重要原材料之一。也是這個(gè)時(shí)候開始，PEEK概念股多次漲停，
PEEK材料最早由英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司（ICI）開發(fā)出來，自問世以后很長(zhǎng)一段時(shí)間被用作一種重要的戰(zhàn)略國(guó)防軍工材料，并實(shí)施嚴(yán)格的封鎖和禁運(yùn)。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(shí)，強(qiáng)度也幾乎與初始狀態(tài)相同，且熱穩(wěn)定性優(yōu)異，熔點(diǎn)達(dá)341℃。還具有優(yōu)異的機(jī)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(dòng)性能。
也因此PEEK成為人形機(jī)器人核心運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑、剛性/柔性兼具等優(yōu)點(diǎn)，可用在機(jī)器人機(jī)身重要關(guān)節(jié)、軸承等領(lǐng)域中。


PEEK在人形機(jī)器人中的應(yīng)用

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

  • 諧波減速器：采用30%碳纖維增強(qiáng)PEEK（CF/PEEK），模量達(dá)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(shí)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(qiáng)酸強(qiáng)堿、耐腐蝕特性適合長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，而碳纖維增強(qiáng)的PEEK（CF/PEEK）進(jìn)一步提升了機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊能力。例如，波士頓動(dòng)力Atlas的膝關(guān)節(jié)齒輪組采用PEEK復(fù)合材料，實(shí)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(shí)現(xiàn)輕量化，相比金屬減重40%，同時(shí)保持高耐磨性和自潤(rùn)滑性。
二、機(jī)械臂與運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

  • 機(jī)械臂核心部件：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是機(jī)械臂的主流材料，其密度僅為鋼的1/3，相同強(qiáng)度下重量更輕，顯著提升機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)剛?cè)崞胶猓缣厮估璒ptimus-Gen2的機(jī)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(shí)現(xiàn)整體減重10kg，同時(shí)保持高強(qiáng)度（彎曲模量達(dá)15GPa），提升行走速度30%。

CF/PEEK織物（碳纖維體積含量70%）的拉伸強(qiáng)度與鈦合金相當(dāng)，但密度僅為其36%，適用于機(jī)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(dòng)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(cè)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?yàn)镻EEK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(dòng)力與能源系統(tǒng)

  • 人工肌肉與驅(qū)動(dòng)器：介電彈性體（DE）結(jié)合碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)300%的應(yīng)變率和毫秒級(jí)響應(yīng)，用于仿生肌肉驅(qū)動(dòng)。
  • 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(dāng)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(qiáng)”的競(jìng)爭(zhēng)格局。

  • 英國(guó)威格斯是全球最大的PEEK生產(chǎn)商，產(chǎn)能達(dá)到7150噸/年，約占全球產(chǎn)能的 60%。
  • 比利時(shí)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(guó)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(dá)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(qiáng)度、拉伸模量?jī)?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(dāng)使用PEEK與碳纖維復(fù)合，碳纖維的高強(qiáng)高模特性，賦予了CF/PEEK復(fù)合材料更高強(qiáng)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(jiǎn)單假設(shè)復(fù)合成本是PEEK+碳纖維采購成本的1-2倍，測(cè)算當(dāng)前價(jià)格下單個(gè)人形機(jī)器人CF/PEEK復(fù)合材料成本約占機(jī)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(qiáng)度、拉伸模量與鋁合金、鈦合金基本相當(dāng)，而密度僅為鋁合金的58%、鈦合金的36%，但價(jià)格約為鈦產(chǎn)品的2倍。
從技術(shù)來看，國(guó)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(shí)驗(yàn)室階段，高端碳纖維（如T1100級(jí)）依賴日本東麗。光威復(fù)材2月20日在投資者平臺(tái)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(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)YC11S（T1100級(jí)別）超高強(qiáng)度碳纖維千噸級(jí)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(guó)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(guó)內(nèi)外客戶的質(zhì)量認(rèn)證，并且已經(jīng)獲得了部分國(guó)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(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，將拉動(dòng)氟酮的需求量增長(zhǎng)。
從市場(chǎng)規(guī)模來看，2024年全球PEEK市場(chǎng)規(guī)模約為61億元，預(yù)計(jì)到2027年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到85.4億元，CAGR達(dá)11.38%。根據(jù)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，我國(guó)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(zhǎng)率增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到5079噸。
從全球下游應(yīng)用領(lǐng)域看，PEEK材料當(dāng)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(chǎng)對(duì)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(fèi)量也將逐步增加，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。
在人形機(jī)器人領(lǐng)域，其對(duì)材料輕量化、高強(qiáng)度、高精度等要求與PEEK材料的性能高度契合，國(guó)內(nèi)已有廠家將PEEK材料應(yīng)用于人形機(jī)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(tái)機(jī)器人。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)算，每10萬臺(tái)采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)的機(jī)器人，需要195噸PEEK材料。伴隨著人形機(jī)器人量產(chǎn)（預(yù)計(jì)2030年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)120億美元），未來PEEK的應(yīng)用將進(jìn)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。