国金证券研报深入分析CF/PEEK复合材料在谐波减速器中的应用优势。相较金属基谐波减速器，CF/PEEK制备的谐波减速器变形应力仅为钢材1/7、各阶固有频率提升45%、接触齿数增加47%、疲劳寿命达939.5小时。CF/PEEK复合材料有望在机器人谐波减速器领域实现“以塑代钢”的全面替代。
谐波减速器——机器人关节精度核心
减速器起连接动力源和执行机构之间的桥梁作用，能将高速低扭矩的动力转换为低速高扭矩的输出，满足机器人各部位对速度和精度的要求。谐波减速器的结构特点使其对精度要求较高、对负载要求相对较低，因此在机器人小臂、腕部和手部等需要精确控制的区域应用增多。
谐波减速器下游应用领域主要为机器人，2017-2019年关节机器人占比36%、协作机器人占比32%。精密减速器（含RV减速器、谐波减速器）成本约占工业机器人总成本的36%。
传统谐波减速器柔轮多采用金属材料如30CrMnSiA，但金属材料在循环载荷下易产生疲劳破坏。CF/PEEK复合材料凭借其优异的力学性能和阻尼特性，为谐波减速器性能提升提供了新路径。
CF/PEEK谐波减速器的四大性能优势
相较金属基短筒谐波减速器，采用CF/PEEK制备的谐波减速器具备四大优势。
变形应力方面，相同负载下PEEK基复合材料的变形应力仅为钢材的1/7。这意味着设计结构在较小轴向尺寸情况下，仍能选择较大的轮齿模数及径向变形系数，结构设计更加自由。
阻尼特性方面，CF/PEEK材料制造的柔轮各阶固有频率较金属制柔轮提升约45%。1阶固有频率从885.5Hz提升至1308.7Hz，7阶固有频率从2344.7Hz提升至3442.7Hz。这表明PEEK基复合材料谐波减速器具有更好的阻尼特性，能有效降低发生共振的可能性。
接触齿数方面，在负载20N·m、转速2000rad/min额定工况下，PEEK复合材料谐波减速器接触齿数达52对，较金属制提升47%。柔轮与刚轮齿的接触齿数以及啮合面积增加，增大了齿轮副啮合区域，接触压力分布在更多轮齿表面上，提升承载和抗冲击能力。
疲劳寿命方面，传统金属制谐波减速器变形应力过大，在循环周期达2.9万次时，柔轮轮齿处遭遇静力破坏。采用PEEK复合材料制造的柔轮预计可循环次数达56.4万次，疲劳寿命达939.5小时。
CF/PEEK谐波减速器产业化前景
CF/PEEK谐波减速器的性能优势已在学术研究中得到充分验证，但产业化仍面临若干挑战。目前常用于制造连续CF/PEEK预浸料的熔融浸渍技术主要厂家为海外公司，国内技术可能仍处于实验室阶段。碳纤维和PEEK复合的生产工艺及加工工艺均较为复杂，熔融浸渍工艺中PEEK在熔融状态下黏度较低，需要消耗较大能量。
国金证券测算，当前价格下单个人形机器人CF/PEEK复合材料成本约2645-3967元，占机器人成本1.48%-2.21%。随着人形机器人量产规模扩大和CF/PEEK复合工艺成熟，成本有望进一步下降。
全球PEEK呈现“一超多强”供给格局，英国威格斯市占率53.55%，比利时索尔维18.47%，德国赢创11.82%，中国中研股份8.07%。2016年起以中研股份为代表的国内企业打破国外公司在部分高端应用领域垄断，性价比凸显。国内企业CF/PEEK复合技术的突破将是谐波减速器PEEK化的关键推动力。
CF/PEEK谐波减速器与金属制谐波减速器全面对比| 性能指标 | CF/PEEK复合材料 | 金属制（30CrMnSiA） | 性能提升 |
|---|
| 变形应力 | 钢材的1/7 | 基准 | 大幅降低 |
| 1阶固有频率 | 1308.7Hz | 885.5Hz | +47.8% |
| 7阶固有频率 | 3442.7Hz | 2344.7Hz | +46.8% |
| 接触齿数 | 52对 | 约35对 | +47% |
| 疲劳寿命 | 939.5小时 | 2.9万次循环破坏 | 显著提升 |
| 可循环次数 | 56.4万次 | 2.9万次 | +1845% |
