相较于传统金属或合金材料，工程塑料应用于人形机器人最主要优势在于强度相似条件下，密度可降低50%～70%，部分工程塑料材料的耐腐蚀性、抗疲劳性等性能亦显著优于金属材料。这使得工程塑料广泛应用于机器人内外部硬件，替代潜力显著。
人型机器人 图源：宇树科技
主要的高端工程塑料材料包括聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、液晶聚合物（LCP）、热塑性弹性体（TPE）、超高分子量聚乙烯（UHMW–PE）等。轻量化材料在人形机器人中的应用对比如表所示。
主要高端工程塑料在人形机器人中的应用对比
一、聚醚醚酮（PEEK）：机器人骨架轻量化的重要材料
1.材料特性及应用优势
PEEK作为重要的特种工程塑料，凭借卓越性能成为机器人骨架轻量化的理想选择。
（1）高热稳定性。260℃高温环境下连续使用5000小时后仍能保持初始强度稳定性，熔点达341℃;
（2）优异化学稳定性。对强酸、强碱及多种有机溶剂环境具极强耐受性，化学抗性显著优于普通高分子材料；
（3）高强度与低密度。密度约为1.3g/cm3，同时具备较高的机械强度（拉伸强度通常＞90MPa）。
在人形机器人领域，PEEK的高强度—低密度特性尤为关键。国内厂商已将其应用于关节、轴承、齿轮及四肢等部件，显著降低整机重量的同时提供更稳定的传动性能，减少摩擦磨损，延长使用寿命。
特斯拉Optimus–Gen2
特斯拉Optimus–Gen2通过采用PEEK制造部件，在维持原结构强度下成功实现整机减重10kg并提升30%行走速度。PEEK材料由此成为解决人形机器人轻量化挑战的理想选择。
2.竞争格局
全球PEEK产能呈现“一超多强”格局，技术壁垒与市场集中度较高。英国威格斯（Victrex，产能7150吨/年）占据全球60%市场份额，比利时索尔维（SolvayS.A.，产能2500吨/年）与德国赢创（EvonikIndustriesAG，产能1800吨/年）分列二、三位。
中国自“九五”计划启动自主研发，吉林大学特种工程塑料研究中心突破合成技术封锁，推动长春吉大高新材料公司建成首条300吨/年生产线。2024年中研股份产能达1000吨/年，盘锦伟英兴、山东君昊等企业持续扩产，金发科技、深圳沃特等也有较大产能布局，国产化进程加速改变全球竞争格局。尽管国内已形成一定产业规模，但高端产品仍依赖进口，航空航天等领域国产化率不足10%。
3.市场需求与未来预测
汽车工业是PEEK最大消费市场，占比27%，在新能源汽车中用于电机、电池等部件。航空航天领域占比23%，空客A350部分部件采用PEEK减重。医疗健康领域占比7%，用于骨科植入物（人工关节）、手术器械等。
伴随机器人产业爆发式增长，PEEK材料迎来全新发展机遇。特斯拉Optimus-Gen2机器人PEEK单机用量4.2kg，宇树H1单机用量3.2kg。2024年PEEK全球市场规模约61亿元，预计2028年将突破84亿元，年均增速8.0%。据高工产业研究院（GGII）预测，若2028年单机PEEK用量5～10kg，全球市场需求量将达0.5万～1万吨。
二、聚苯硫醚（PPS）：高性价比机器人骨架轻量化材料
1.材料特性及应用优势
PPS是一种分子链中含有苯硫基结构的高性能热塑性树脂，综合性能优异。该材料热变形温度超过260℃,可在220℃下长期稳定使用，展现出卓越的热稳定性。同时，PPS对酸、碱、盐溶液及有机溶剂具极强耐腐蚀性，化学稳定性突出。
在人形机器人应用中，PPS可使结构件减重30%～40%，降低能耗并提升灵活性。其耐磨损性适用于关节等运动部件；耐高温、耐腐蚀特性可确保机器人在极端环境下运行。
2.竞争格局
PPS的工业化生产始于1968年，由美国菲利普斯公司率先突破合成技术并垄断早期市场。1985年起，日本企业（东丽、东洋纺织等）迅速布局树脂及复配料生产，推动PPS纤维开发，目前日本厂商仍主导全球市场。
我国PPS产业起步相对较晚，但已实现规模化发展。新和成作为国内龙头企业，产能2.2万吨/年，是率先实现纤维级、注塑级等多品类PPS稳定生产的企业。此外，滨阳燃化、重庆聚狮、铜陵瑞嘉、山东明化等企业也各自建成1万吨/年产能。
3.市场需求与未来预测
电子电气是PPS应用最大领域，占比40%，用于连接器、5G基站等部件。汽车工业占比30%，受益于新能源汽车的增长，用于传感器、泵件等。2023年全球市场规模18亿美元，预计2028年达25亿美元，年均增速6.8%；相应中国市场规模分别为50亿及80亿元，年均增速9.9%。GGII预测2028年人形机器人PPS全球需求量为1500-2500吨。
三、液晶聚合物（LCP）：精密电子部件关键材料
1.材料特性及应用优势
LCP是一类具刚性分子结构的热塑性高分子材料。当处于熔融状态时，其分子链会呈现近晶型或向列型有序排列（液晶态）。此种有序的分子构型使得LCP材料在冷却固化后仍能保持稳定形态。
LCP连接器
在人形机器人中，LCP可使结构件减重30%-50%，提升运动灵活性；低介电常数（Dk）与低介电损耗（Df）使其非常适用于高速、高频电子信号的传输与封装；低吸湿性、高尺寸稳定性及良好的加工流动性，满足精密电子元件（如伺服电机连接器）的严苛要求。
2.竞争格局
全球LCP产能高度集中，主要分布于日本和美国。塞拉尼斯（美）、宝理塑料（日）与住友化学（日）等国际龙头企业占据主导地位，现有产能分别达到2.2万、2.0万、1.1万吨/年。
相较之下我国LCP产业发展滞后，曾长期依赖进口；近年发展迅速，普利特、金发科技及沃特股份产能分别为1.0万、0.6万、0.5万吨/年，国产LCP材料正逐步实现进口替代。2023年中国消费量1.8万吨，机器人领域占比约8%。
3.市场需求与未来预测
电子电气领域占LCP消费量的65%，主要用于制造高频连接器、印刷电路板、集成电路封装基板、（5G）手机天线等领域。2023年全球市场规模12亿美元，预计2028年达20亿美元，年均增速10.8%。
人形机器人领域，波士顿动力Atlas单机使用LCP连接器44个，特斯拉OptimusGen3规划增至60个，单机用量1.2kg。GGII预测2028年若达到60%渗透率，LCP需求量为360吨。
四、热塑性弹性体（TPE）：兼具弹性与可塑性的第三代橡胶
1.材料特性及应用优势
TPE作为拥有独特微观两相结构（通常包含“硬段”及“软段”）的创新型高分子材料，兼具常温时的橡胶高弹性及高温时的塑料可加工性。邵氏硬度（ShoreA）达到20～95，断裂伸长率300%～800%，在–60～120℃保持弹性性能，加工效率高，废料可回收利用。
小鹏IRON人形机器人
在人形机器人中，TPE的关键价值在于触感可调，适用于外壳与手臂蒙皮，如软银Pepper机器人手部皮肤采用热塑性聚氨酯弹性体（TPU），触感接近人类皮肤，抗污性良好，耐候性与耐化学性满足多场景需求。
2.竞争格局
TPE当前主流改性技术包括动态硫化、纳米复合等。全球市场亚太地区占比62%，其中热塑性苯乙烯弹性体（TPES）占据主导地位；全球产能超250万吨/年，中国以140万吨/年产能成为最大生产国；美国、德国企业把控高端市场。
国内TPE产业呈现“低端饱和、高端紧缺”的典型特征。基础产品产能过剩，市场集中度高，主要生产企业包括中国石化（巴陵、燕山、茂名）、惠州李长荣橡胶、长鸿高科等。高端材料自给率不足60%；苯乙烯—乙烯/丙烯—苯乙烯嵌段共聚物（SEPS）等高附加值产品仍依赖进口，陶氏化学、科腾等外企把控80%市场份额。
3.市场需求与未来预测
TPE需求结构呈现“一主两翼”特征，汽车工业占比40%，主要用于密封系统与内饰件；建筑与消费品占比30%，涉及防水卷材、日用品等；医疗领域快速崛起，占比20%，医用导管、器械手柄等器械需求激增。医疗与服务机器人是TPE新兴市场，2023年全球医疗级机器人市场规模28亿美元，预计2028年达40亿美元，年均增速7.4%。
人形机器人领域对TPE（尤其电子皮肤、柔性蒙皮）的需求正在增加。特斯拉Optimus全身电子皮肤单机用量约1.5kg。GGII预测2028年全球机器人TPE需求量为1350吨。
五、超高分子量聚乙烯（UHMW–PE）：高性能纤维材料的突破与应用
1.材料特性及应用优势
UHMW–PE是目前工业化高性能纤维中比强度及比模量最高的材料之一，其分子量＞1×106g/mol，纤维强度3000～4000MPa，密度0.93～0.94g/cm3，耐磨性优于聚四氟乙烯，自润滑性好，低温下仍保持柔韧性。
在人形机器人中，UHMW–PE用于腱绳传动系统可增强手部灵活性与耐用性并减重70%，循环寿命超10万次。
腱绳行业产业链
2 .技术发展与竞争格局
UHMW–PE的工业化生产始于20世纪70年代。荷兰帝斯曼（DSM）公司率先开发冻胶纺丝及超倍拉伸技术，于1979年获得专利并实现规模化生产。此后，美国霍尼韦尔（原AlliedSignal）、日本东洋纺公司和三井公司等企业垄断了国际市场核心技术。
我国研发始于70年代，安徽化工研究院、上海化工研究院等机构进行了早期探索。2013年，中国石化扬子石化研究院启动锂电池隔膜专用料的工业化研发，并于2017年成功试生产，逐步打破进口依赖。截至2024年，国内UHMW–PE产能约25万吨/年，在建产能约34万吨/年；但行业集中度较低，尚未形成龙头效应。
3.市场需求与未来预测
2023年全球UHMW–PE纤维市场规模12亿美元，预计2028年达18亿美元，年均增速8.4%。人形机器人产业的兴起为UHMW–PE纤维在腱绳传动系统中的应用创造了新需求。波士顿动力Atlas单机用量0.15kg。预计2028年全球需求量75吨。
六、碳纤维（CF）：机器人轻量化与高强度的核心材料
1.材料特性及应用优势
CF是以聚丙烯腈基或沥青基等原丝经高温氧化、碳化制成的含碳量超90%的高强度纤维，其耐高温性能居化纤之首。该材料具有轻质高强度、耐腐蚀、导热导电性优良、力学性能突出等特点；尤其在极端条件下能保持稳定的机械性能，抗疲劳性且振动衰减性优异。这些特性使其成为机器人轻量化的理想选择，特别适用于机械臂等高强度、高耐久性应用场景。
碳纤维复合材料用于机械臂与骨架结构
在人形机器人中，碳纤维用于机械臂与骨架结构，可使铝合金机械臂减重至3kg并提升刚度，增强结构刚性，优化动态性能。特斯拉OptimusGen2背部骨架采用碳纤维复合材料（CFRP），重心降低15%，能耗减少20%。
2.国内供需与产业格局
2024年我国碳纤维实际消费量约5.6万吨，同比增长5%；主要应用领域以风电叶片（38%）、体育休闲（23%）及碳/碳复材（11%）为主。国内总产能从2019年的2.67万吨/年增至2024年的13.55万吨/年，年均增长率达38.4%；但产能利用率回落至44%。2024年产量5.9万吨，同比仅增长8%，增速趋缓。行业集中度较高，吉林化纤（产能占全国24%）及中复神鹰（21%）为头部企业，光威复材、中简科技等紧随其后。
3.市场需求与未来预测
2023年全球碳纤维市场规模68亿美元，预计2028年达105亿美元，年均增速9.1%。人形机器人领域，优必选WalkerX单机用量约2kg；傅利叶GR–1单机用量约2.5kg。预计2028年全球需求量1000吨。
参考资料：人形机器人产业化进程中高端化工材料的发展新机遇，王宏岗