高端工程塑料替代传统金属材料实现机器人轻量化
思瀚产业研究院    2025-02-26

工程塑料材料相比于传统的金属或合金材料，其最主要的优势在于强度相似的条件下工程塑料的密度较金属材料有着十分明显的优势，有些工程塑料材料的性能甚至要远远优于金属材料。这使得工程塑料在机器人外部及内部硬件上有着较多的应用与替代，种类也十分丰富，主要的工程塑料材料包括例如 PEEK、PPS、PA、LCP、TPE、UHMW-PE 等。

1、聚醚醚酮（PEEK）：机器人骨架轻量化的重要材料

PEEK 材料最早由英国帝国化学公司（ICI）开发出来，自问世以后很长一段时间被用作一种重要的战略国防军工材料，并实施严格的封锁和禁运。PEEK 作为一种高分子新材料，相比于普通材料，其性能突出表现在具有高耐热性和热稳定性、优异的机械性能和韧性、杰出的化学抗性以及优异的耐磨性和滑动性能。

耐热性方面，PEEK 材料即使在 260℃的环境下使用 5000 小时，强度也几乎与初始状态相同，且热稳定性优异，熔点达 341℃。化学性能方面，PEEK 相比于其他高分子材料的耐腐蚀性能优势十分明显。

PEEK 材料由于其优异的性能，在“以塑代钢”和“轻量化”的大背景下，逐步用于替换金属材料的使用，在交通运输、航空航天、电子信息、医疗健康等多个领域得到广泛的应用。而在人形机器人领域，国内已有厂家将其应用于人形机器人的关节、轴承、齿轮、四肢等部件，不仅降低了机器人整体的重量，提供了稳定的传动和支撑，同时减少了摩擦和磨损，延长了机器人的使用寿命。例如在特斯拉的 Optimus-Gen2 人形机器人中，PEEK 材料充分发挥了轻量化的优势，不仅减重 10 公斤，而增加了机器人30%的行走速度。PEEK 材料的高强度和低密度的优异性能，使其成为解决人形机器人轻量化的理想选择。

当前全球 PEEK 行业产能较为集中，全球生产厂商呈现“一超多强”的竞争格局。英国威格斯是全球最大的 PEEK 生产商，产能达到 7150 吨/年，约占全球产能的 60%。比利时索尔维现有 PEEK 产能 2500 吨/年，其生产基地主要集中在印度，产品主要出口欧洲和日本。德国赢创（其主要 PEEK 生产主体为吉大赢创）是第三大 PEEK 生产商，产能达 1800 吨/年，产品主要出口欧洲。由于刚问世时对 PEEK 材料的技术封锁，我国对 PEEK 材料进行技术研发较晚，“九五”期间长春吉大高新材料公司完成工业中试生产。

经过近 20 年的工作，吉林大学特种工程塑料研究中心开发出具有自主知识产权的 PEEK 树脂合成路线，树脂主要性能达到国外同类产品水平。2002 年底长春吉大高新材料公司投资 1 亿元建成一期 300 吨/年聚醚醚酮装置，从而打破了威格斯公司独家垄断的局面。2014 年中研股份 PEEK 年产能达 1000 吨，与威格斯、索尔维、赢创并列为全球仅有的 4 家 PEEK 合成能力超过千吨级的企业。除此之外，国内还有其他较多 PEEK 生产企业，例如盘锦伟英兴、山东君昊、沃特股份和吉大特塑等。

PEEK 材料当前已经在汽车、航空航天、医疗、电子等领域有较多应用，同时伴随着机器人行业的快速发展，PEEK 材料将会有较快的发展。2024 年全球 PEEK 市场规模约为 61 亿元，预计到 2027 年市场规模将达到 84 亿元，CAGR 达 11.38%。相关企业中研股份、新瀚新材、普利特、沃特股份、金发科技等。

2、聚酰胺（PA）：机器人零部件常见材料

聚酰胺俗称尼龙，是历史悠久、用途广泛的通用工程塑料，为五大工程塑料中产量最大、品种最多、用途最广的品种。聚酰胺树脂种类较多，常见的有例如 PA6、PA66、PPA 等，具有优良的耐磨性、自润滑性，机械强度较高，且能耐酸、碱、多数无机盐溶液、烃类、酯类等腐蚀，被广泛地应用于化学纤维、汽车、电子电器等行业。

在人形机器人产业中，聚酰胺树脂由于其良好的韧性、耐磨性及可塑性，十分常见用于机器人零部件的 3D 打印中，例如法国 Ensta Paris Tech 公司和 FlowersLab 公司合作设计的 Poppy 机器人，身高 83 厘米，重量仅 3.5 千克，除马达和电子电路外，Poppy的所有零件都是使用聚酰胺 3D 打印而来。

Poppy 人形机器人成品图

当前我国聚酰胺产品中用于工程塑料较多的有 PA66 和 PA6，其中 PA66 下游应用中，工程塑料占比达 49%，主要应用于汽车行业、电子电器和轨道交通；而 PA6 切片的下游应用中，工程塑料的占比较小，仅有 17%，其主要下游应用仍是锦纶纤维。未来随着机器人材料应用的渗透提高，PA66 及一些更适用的改性聚酰胺工程塑料如 PPA 将在工程塑料端的应用占比有所提高。

我国 PA66 行业当前总产能达 118.9 万吨，CR8 达 95.88%集中度较高，主要产能集中在上海英威达、神马尼龙化工和华峰化学三家企业，产能分别为 40 万吨、26 万吨和23 万吨。我国当前 PA66 市场较为饱和，供给过剩下游需求较为疲软，行业开工率不足 70%多年维持在较低水平。未来机器人 3D 打印技术的推广以及工程塑料在机器人零部件中的应用比例的提高，将会刺激 PA66 带来新一轮的需求高速增长，很大程度上缓解我国 PA66 行业当前供给过剩、开工率低迷的情况。应用于工程塑料端的聚酰胺产销企业，例如：神马股份、华峰化学、隆华新材等。

3、 聚苯硫醚（PPS）：兼具性价比的机器人骨架轻量化材料

聚苯硫醚（PPS）是分子链中带有苯硫基的高性能热塑性树脂，具有较高的热稳定性，热变形温度超过 260℃，可在 220℃连续使用；耐化学腐蚀性优异，对酸、碱、盐溶液、有机纯酮等溶剂均稳定；密度较低，仅 1.34-1.36g/cm3；自身是绝缘体，但材料经过氧化或掺杂改性后可成为半导体；同时具有较高的刚性、强度等机械特性。PPS其优异的物理化学性质使得其被广泛地应用在电子电气、汽车、精密机械、航空航天、环保等领域，其中汽车和电子电器是全球聚苯硫醚市场应用最大的两个领域，占比接近 80%。

PPS 最早于 1968 年被菲利普斯成功研制工业化合成路线，并在 1985 年以前一直被其垄断着 PPS 的生产和市场；在专利到期后的短短几年里，日本公司纷纷建立了树脂及复配料加工厂，东丽公司、东洋纺公司、吴羽公司相继进行了 PPS 纤维的开发，目前日本公司的产品占据着全球主要市场。我国 PPS 的研究与建设稍晚于国外，国内当前PPS 龙头企业是新和成，拥有 PPS 产能 22000 吨/年，是国内唯一能够稳定生产纤维级、注塑级、挤出级、涂料级 PPS 的企业。

在机器人领域，PPS 由于出色的耐热耐腐蚀以及低密度的特性，作为机器人骨架、连接件可使机体整重减重较大；此外 PPS 的绝缘性能和介电强度，以及较低的综合成本，也是其在机器人材料中的重要优势之一。PPS 材料相比 PEEK 材料，在机器人中的应用存在一些潜在优势。PPS 材料国产化程度较高，完全生产成本和价格相较于PEEK 材料略有优势，同时它们的机械强度和耐腐蚀性能相当，在机器人骨架轻量化上的表现也比较优异。PPS 材料未来可能会是 PEEK 材料在机器人骨架材料上的有力竞品。国内 PPS 龙头企业新和成。

4、液晶聚合物（LCP）：机器人核心零部件的主要材料

液晶聚合物（LCP）材料是一种当处于熔融状态时会显示出液晶特性的热塑性高分子材料，特点是分子具有较高的分子量又具有取向有序，LCP 在以液晶相存在时粘度较低，且高度取向，而将其冷却固化后，它的形态可以稳定地保持。

LCP 材料具有一系列优异的性能，例如具有高强度、突出的耐热性、低吸水率、优异的阻燃性、电绝缘性、耐化学腐蚀和低介电常数等特点，被广泛地应用于电子电器、航空航天、国防军工、光通讯等高新技术领域。LCP 根据液晶相的形成条件，可分为溶致性液晶（LLCP）和热致性液晶（TLCP），LLCP 类型的聚合物只能在溶液中加工，不能熔融，只能用作纤维和涂料；而 TLCP 可在熔融状态加工，不但可以通过溶液纺丝形成高强度纤维，而且可以通过注射、挤出等热加工方式形成各种制品，其品种及应用都远超 LLCP。

目前全球 LCP 材料产能主要集中在日本和美国，日本和美国的企业在 20 世纪 80 年代就开始量产 LCP 材料，LCP 全球龙头企业主要是美国塞拉尼斯、日本宝理塑料及日本住友化学，现有产能达到 2.2 万吨、2 万吨和 1.1 万吨。我国进入 LCP 领域较晚，之前长期依赖美日进口，但是近几年来随着金发科技、沃特股份、普利特等企业布局的 LCP 产能陆续投产，现有产能已经分别达到 6000 吨、5000 吨和 10000 吨，并且有较多的在建产能，产能规模逐渐追赶海外龙头水平，使得国产 LCP 材料的占比有所提高，国产化替代的进程加快，也有利于未来机器人材料中 LCP 材料渗透率的提高。

对于机器人材料而言，LCP 在机器人伺服电机连接器中使用频繁，优良的耐高温性和尺寸稳定性使其成为各类精密电子元件的最佳材料。人形机器人上游核心硬件主要包括伺服电机、减速器、控制器、传感器等，几乎占到了机器人成本的 70%。相比于普通的工业机器人和服务机器人，人形机器人在结构设计、硬件构成、控制算法、核心性能要求以及零部件选择上都有很大的差异，比如普通工业机器人，关节在 2-10轴之间，而人形机器人关节数量预计在 40 个以上（例如特斯拉 Optimus 达到 40 个），每一个关节需要一台伺服电机，伺服电机也是人形机器人的主要核心零部件之一。因此 LCP 材料未来在人形机器人中的用量将有所提高，行业需求预计将会较快增长，国内 LCP 行业龙头普利特、金发科技、沃特股份等。

5、热塑性弹性体（TPE）：性能独特的第三代橡胶材料

热塑性弹性体（TPE）是一类常温下具有橡胶的弹性，高温下具有可塑化成型的高分子弹性体材料。其结构特点是由化学键组成不同的树脂段和橡胶段，因此 TPU 材料具有硫化橡胶的物理机械性能和热塑性塑料的工艺加工性能，是介于橡胶与树脂之间的一种新型高分子材料，常被人们称为第三代橡胶。TPE 材料种类众多，最早于 1938年德国 Bayer 发现聚氨酯类 TPE，如今世界上已经工业化生产的 TPE 多种多样，包括苯乙烯类、烯烃类、氯乙烯类、氨酯类、酰胺类、有机氟类、有机硅类等等，几乎涵盖了现在合成橡胶与合成树脂的所有领域，下游应用涉及汽车、电子、电气、建筑及日常生活用品等多方面。

在机器人材料中，TPE 相比于普通的橡胶及树脂材料而言，主要的优势包括：可调硬度；具有良好的耐寒性、脆点较低；更好的耐腐蚀性；易于加工成型；环保性、可被回收利用；触感可调；安全性，通常不含有毒有害物质；价格较硅胶类更便宜。由于轻量化、可回收以及触感可调等这些独特的性质，使得 TPE 材料更适合用于仿生机器人的外壳和手臂，在保持弹性的同时，TPE 材料展示了卓越的医用安全性和加工便利性，使其成为现代机器人的热门选择。

根据机构预测数据，TPE 全球市场 2024 年价值为 139.83 亿美元，预计 2025 年达到148.50 亿美元，到 2033 年将扩大到 240.28 亿美元，CAGR 达 6.2%。TPE 下游应用中汽车行业占 40%，主要将 TPE 组件纳入密封系统、内部装饰等；其次是消费品和建筑，大约 30%的全球 TPE 用于密封系统、垫圈和软管；在医疗行业，超过 20%的医用管融合了 TPE 材料。

TPE 材料种类众多，当前全球体量最大的 TPE 材料是苯乙烯类热塑性弹性体（TPES），全球 TPES 市场规模超过 250 万吨，国内的 TPES 产能 140 万吨/年。低端品种例如SBS、SIS 供求平衡偏松，国内市场集中度较高，目前呈现“寡头垄断”的竞争格局，我国 SBS 生产企业有十几家，主要企业有惠州李长荣橡胶、中石化（巴陵分公司、燕山石化、茂名石化）、宁波长鸿高分子、中石油独山子石化、天津乐金渤天化学等，其中中石化、惠州李长荣橡胶和长鸿高科三家企业的市场份额占总体市场的 70%以上。而高端品种方面，我国 SEBS 产不足需，主要仍是中石化、惠州李长荣橡胶和长鸿高科三家企业，市场份额达 80%以上；而 SEPS 国内尚未实现大规模的产业化生产，SEPS的绝大部分需求依赖进口。在 TPE 材料的高端品种上，国内企业与国外龙头仍有较大差距，TPE 行业龙头中国石化、长鸿高科等。

6、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）：强度极高的高性能纤维材料

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维是目前工业化高性能纤维材料中比强度和比模量最高的纤维，是分子量在 100 万以上的聚乙烯树脂所纺出的纤维（普通聚乙烯的分子量一般在 4-12 万），其断裂伸长率高于碳纤维和芳纶，柔韧性好，在高应变率和低温下力学性能依然良好，抗冲击能力优于碳纤维、芳纶等。

UHMW-PE 的比强度是优质钢材的 15 倍，是玻璃和尼龙 66 的 4 倍，是碳纤维的 2.6 倍，芳纶纤维的 1.7 倍。UHMWPE 具有的超高强度、低密度、耐磨损、耐低温、耐紫外线、抗屏蔽、柔韧性好以及耐强酸强碱化学腐蚀等优异性能被广泛应用于军事装备、海洋产业、安全防护、体育器材、生物医疗、航空航天等领域。对于机器人材料而言，UHMW-PE 可以应用于人形机器人手部腱绳传导材料。

1970 年代后期荷兰 DSM 公司以粉末状超高分子量聚乙烯为原料，采用冻胶纺丝及超倍拉伸技术，制取高强高模的聚乙烯纤维，并于 1979 年首次申请该纤维的生产专利。截至目前国际上只有荷兰 DSM、美国 Allied、日本东洋纺公司和三井公司等公司拥有UHMW-PE 专利技术并形成规模化生产。我国对 UHMW-PE 的研发始于 20 世纪 70 年代，安徽化工研究院、上海化工研究院等对 UHMW-PE 材料进行了研发、设备引进以及工业化生产的尝试。

经过多年的研发和改进，2013 年扬子石化研究院开始了锂电池隔膜UHMW-PE 专用料的工业化研发，并于 2017 年首次实现了 UHMW-PE 隔膜专用料的工业化试生产，打破了该产品完全依靠进口的局面。近年来，随着下游需求的快速增长，我国 UHMW-PE 行业发展迅速，截至 2024 年 8 月，国内超高分子量聚乙烯在产产能约为 25 万吨/年，在建产能 34 万吨，另有约 48 万吨/年拟新建产能，国内 UHMW-PE 产能较为分散，尚未形成较大的行业龙头。

UHMW-PE 需求方面，随着近年来地缘政治冲突加剧、国际军事冲突不断，军事装备及用品消费需求增长，带动 UHMW-PE 纤维消费需求明显上升，2023 年全球 UHMW-PE 纤维总产量达 26787 吨，复合增速超过 20%。中国也是全球军事装备及用品用具的主要制造国家之一，对应用在国防军工装备领域的 UHMW-PE 纤维的消费需求较大，2023年产量达到 13300 吨。未来随着机器人产业的快速发展以及 UHMW-PE 材料的应用，超高分子量聚乙烯纤维的需求将会进一步快速增长，综合实力较强的行业龙头标的，东方盛虹、卫星化学、同益中等。

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