国金证券研究报告指出，人形机器人正从智能化发展阶段向大规模应用过渡，2028年前中国整机市场规模预计20至50亿元，2045年后在用人形机器人有望超1亿台，市场规模可达10万亿元级别。新材料主要应用于机器人的骨骼、外壳等“肢体”部分，助力实现轻量化和感知交互功能。高端工程塑料（PEEK、PA、PPS、LCP、TPE、UHMW-PE）、碳纤维和电子皮肤三类化工新材料将充分受益于人形机器人量产进程。特斯拉Optimus-Gen2采用PEEK材料减重10公斤、行走速度提升30%，验证了新材料在机器人轻量化中的核心价值。
人形机器人发展进入快车道，量产阶段材料需求将爆发
人形机器人发展已历经四个阶段，目前正处于智能化发展向大规模应用过渡的关键时期。萌芽探索阶段（20世纪60年代末至90年代）基本实现双足行走；集成发展阶段（本世纪初至2010年）实现感知与智能控制整合；高动态发展阶段（2010年至2022年）具备较强运动能力；智能化发展阶段（2022年至今）在AI技术赋能下实现更加智能化的感知、交互和决策。未来5至10年，人形机器人将经历从Lv1到Lv5的等级跃迁——2028年前以科学研究为主、整机规模20-50亿元；2028-2035年特种与工业场景逐步落地、规模50-500亿元；2035-2040年工业场景形成规模、规模1000-3000亿元；2040-2045年工服场景规模应用、规模5000-10000亿元；2045年后在用人形机器人超1亿台、市场规模可达10万亿元级别。
人形机器人由“大脑”“小脑”和“肢体”三部分组成。“大脑”基于AI大模型技术，“小脑”实现复杂环境运动控制，“肢体”负责高动态、高精度运动，集成了新材料、传感器等技术。新材料主要应用于骨骼、外壳等结构件，从功能角度可分为两类：一是助力轻量化的高端工程塑料和碳纤维，二是实现感知交互的电子皮肤材料。人形机器人关节数量预计超40个（特斯拉Optimus达40个），远高于传统工业机器人2-10轴，对材料的轻量化、高性能和耐用性提出了更高要求。
高端工程塑料：PEEK领衔“以塑代钢”，多品种协同降本增效
高端工程塑料相比传统金属材料的核心优势在于密度极低，能够在强度相近条件下大幅降低机器人负重，使人形机器人的落地和量产得以实现。PEEK（聚醚醚酮）是最具代表性的高端工程塑料，具有高耐热性（熔点341℃、260℃下使用5000小时强度几乎不变）、优异的机械韧性、杰出的化学抗性（优于PPS、PSU、PEI等多数高分子材料）和优异的耐磨滑动性能。在特斯拉Optimus-Gen2中，PEEK材料使机器人减重10公斤、行走速度提升30%。全球PEEK产能呈“一超多强”格局，威格斯占60%、索尔维、赢创、中研股份为全球仅有的4家千吨级以上企业。2024年全球PEEK市场规模约61亿元，预计2027年达84亿元（CAGR 11.38%）。
PPS（聚苯硫醚）是兼具性价比的机器人骨架轻量化材料，热变形温度超260℃，耐化学腐蚀优异，密度仅1.34-1.36g/cm³，机械强度与PEEK相当，但工业级价格仅约100元/kg，远低于PEEK国产>800元/kg、进口>1000元/kg。LCP（液晶聚合物）在机器人伺服电机连接器中应用广泛，人形机器人超40个关节需要大量精密连接器，将推动LCP需求快速增长。PA（聚酰胺）常用于机器人零部件3D打印，法国Poppy机器人（高83cm、重3.5kg）除马达和电路外所有零件均使用聚酰胺3D打印。TPE（热塑性弹性体）触感可调、轻量化、可回收，适合仿生机器人外壳和手臂。全球TPE市场2024年139.83亿美元，预计2033年达240.28亿美元（CAGR 6.2%）。UHMW-PE可用于人形机器人手部腱绳传导材料，比强度是优质钢材的15倍、碳纤维的2.6倍。
碳纤维：机器人轻量化的核心增强材料，国产产能全球领先
碳纤维是含碳量90%以上的高强度高模量纤维，具有轻质高强、耐高温耐腐蚀、良好的导热和导电性、优异的力学性能等特点。碳纤维复合材料密度仅1.45g/cm³，比强度是钢的7.8倍、铝的6倍、钛的4.9倍；比模量是钢的3.7倍、铝的3.7倍、钛的3.8倍。制作相同强度的机械手臂，选用碳纤维复合材料可将总质量控制在5-15kg，大幅降低机器人自重。
中国碳纤维产业快速发展，产能从2019年2.67万吨增长至2024年13.55万吨（复合增速38%），占全球总产能47.7%，已成为全球碳纤维第一大国。自给率显著提升，2024年进口量回落至1.6万吨，出口量同比增长120%达1.5万吨。产能格局相对集中，吉林化纤市占率24%居首、中复神鹰21%居次。下游需求中风电叶片占38%、体育休闲23%、碳碳复材11%，人形机器人量产将为碳纤维带来新的增量需求。碳纤维质量轻、比强度高，满足机器人高强度、高耐久性和轻量化需求，在人形机器人机械臂、骨架结构中应用前景广阔。
表1：人形机器人核心化工材料分类与应用| 材料类别 | 具体品种 | 在人形机器人中的应用 | 核心优势 |
|---|
| 高端工程塑料 | PEEK（聚醚醚酮） | 关节、轴承、齿轮、四肢骨架 | 耐高温260℃、化学抗性优异、减重10kg |
| PPS（聚苯硫醚） | 骨架、连接件 | 性价比高、工业级约100元/kg |
| LCP（液晶聚合物） | 伺服电机连接器 | 耐高温、尺寸稳定性、超40个关节 |
| PA（聚酰胺/尼龙） | 3D打印零部件 | 韧性好、可塑性高 |
| TPE（热塑性弹性体） | 外壳、手臂 | 触感可调、轻量化、可回收 |
| UHMW-PE | 手部腱绳传导 | 比强度是钢15倍、碳纤维2.6倍 |
| 碳纤维 | 机械臂、骨架 | 质量5-15kg、比强度钢7.8倍 | 轻质高强、耐高温 |
| 电子皮肤 | 柔性传感器 | 灵巧手触觉感知 | 多模态信息感知 |
| PDMS/PI基底 | 电子皮肤衬垫 | 柔韧弹性、力学强度 |
电子皮肤：实现感知交互，柔性传感器市场CAGR 17.9%
电子皮肤是一种致力于模拟并超越人类皮肤功能的可穿戴柔性仿生传感器，由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成。柔性触觉传感器能够实现接触力、温度、湿度、震动、材质、软硬等特性检测，是机器人直接感知环境作用的重要传感器。全球柔性触觉传感器市场2022年约15.34亿美元，预计2029年增长至53.22亿美元（CAGR 17.9%）。全球TOP5厂商（Novasentis、Tekscan、JDI、Baumer、Fraba）合计占57.1%份额，国内企业正加速追赶。
柔性基底材料是电子皮肤的关键组成部分，PDMS（聚二甲基硅氧烷）具有生物可降解、化学黏合性、耐腐蚀、柔软透明、90%以上透光率等优点，是最常用的基底材料。PI（聚酰亚胺）具有优良的耐腐蚀、耐磨、耐高温、力学与电学绝缘性能，热控领域国产占有率不足20%、电子领域不足10%，国产替代空间广阔。2023年全球PI薄膜市场CR3为48.8%，PIAM占28.9%、钟渊化学11%、东丽杜邦8.9%，国内主要厂商已投产产能约3426吨、在建产能约2089吨，瑞华泰是少数具备宽幅生产线自主设计能力的厂家。随着人形机器人量产推进，电子皮肤覆盖面积扩大，柔性基底材料需求有望持续增长。
