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

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 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 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StratisticsMarketResearchConsulting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。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 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。 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。 重点公司盈利预测、估值与评级 代码简称股价EPS（元）PE（倍）评级 （元）2022A2023E2024E2022A2023E2024E 688295中复神鹰28.590.670.420.56436851推荐301387光大同创62.21.991.942.88313222- 资料来源：Wind，民生证券研究院预测;（注：股价为2023年11月13日收盘价；未覆盖公司数据采用wind一致预期） 推荐 维持评级 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相关研究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 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3 1.2碳纤维是机器人轻量化核心材料，用于机械手等部位4 1.3弹性测算：2027年有望拉动5000吨以上碳纤维用量7 1.4碳纤维扩产/降价/降本大周期已开启，开拓新领域可期8 2投资建议12 2.1行业投资建议12 2.2重点公司12 3风险提示15 插图目录16 表格目录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。 图1：特斯拉Optimus 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StratisticsMarketResearchConsulting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%。 图2：2020-2027年全球人形机器人市场规模CAGR 达58.5% 图3：2020-2027年我国人形机器人市场规模CAGR 达56.4% 资料来源：StratisticsMarketResearchConsulting，民生证券研究院资料来源：StratisticsMarketResearchConsulting，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。 轻量化材料要求说明 表1：机器人轻量化结构材料需满足几大条件 强度高在工业生产中机器人结构材料必须保证一定的强度，否则将会增加安全事故的产生并影响机器人的使用寿命 机器人需在服役过程中承受外力，因此需具有抵抗弹性变形的能力，同时要尽可能避免服役过程中的塑性变形，这 较大的弹性模量和弹性极限 是机器人精确控制的基础 较大的震动阻尼 机器人部件启动，制动过程中会由于自身惯性造成局部受力，并产生局部震动，为精确定位、稳定传动，需材料本 体吸收这部分震动阻尼 轻量化 机器人材料轻量化可减少使用能耗，降低运动惯性从而降低部件受力，同时减少传动部件负担。在特殊服役环境 下，如航天领域轻量化，能尽可能为其他部件设计提供自重余量 资料来源：《机器人轻量化材料应用的研究进展》（作者：于成涛等），民生证券研究院 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。 材料 密度（g/cm3） 抗张强度（Gpa） 弹性模量（Gpa） 比强度 比模量 钢 7.8 1.010 206 0.13 26 铝 2.8 0.461 74 0.17 26 钛 4.5 0.942 112 0.21 25 碳纤维复合材料 1.45 1.472 137 1.02 95 表2：碳纤维在各类物理性能方面（如密度、比强度、比模量）具备明显优势 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 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。 发布公司及机器人产品 机械臂材料 自重（kg） 承重（kg） 表3：已发布机器人机械臂的自重、承重比较 KUKA“人机协作”机械臂LBRiiwa 外壳使用铝合金 22.3 7 日本三菱7自由度PA-10整机外壳采用铝合金3510 德国宇航中心第三代轻型机械臂(LWRⅢ)主体结构采用曲面造型，外壳大部分零件使用碳纤维复合 材料 整机连杆部分完全采用碳纤维设计，关节部分采用铝合金 Kinova的7自由度JACO机械臂 材料 13.515 5.52.4 国内挪恩复材为某厂商定制的碳纤维机械臂 碳纤维，总长930mm、宽150mm、壁厚5mm 3.5 - 松下AssistSuiteAWN-03型机器人零部件采用碳纤维材料6- 国内江苏博实为某厂商定制的碳纤维机械臂碳纤维，总长1.2m，宽150mm，壁厚5mm4- 资料来源：挪恩复材官网，搜狐网，新浪网，《日本经济新闻》，民生证券研究院整理 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。 图4：碳纤维机械手臂工艺流程 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 图5：挪恩复材——碳纤维机械手图6：博实——1.7米碳纤维叉臂 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