碳纤维以其卓越的强度重量比，成为机器人轻量化的首选材料之一。东北证券报告显示，碳纤维密度仅为钢的1/4、铝合金的1/2，抗拉强度达3.5GPa以上，比强度比钢大16倍。2024年全球碳纤维市场57.5亿美元，中国产能全球占比47.7%已成最大生产国。波士顿动力Atlas采用CFRP关节支架较铝合金减重45%，碳纤维在机器人结构件中的应用正加速渗透。

碳纤维含碳量高于90%，由聚丙烯腈或沥青等有机母体纤维在高温下裂解碳化形成。核心性能包括：抗拉强度在3.5GPa以上；弹性模量在230GPa以上；密度是钢的1/4、铝合金的1/2；比强度比钢大16倍、比铝合金大12倍。

碳纤维还具备耐超高温（非氧化气氛下2000℃使用，3000℃不融熔软化）、耐低温（-180℃仍柔软）、耐酸碱腐蚀、热膨胀系数小（从3000℃突然降到室温不炸裂）、导电性能好（5-17μΩm）等特性。与芳纶、E级玻璃纤维相比，碳纤维的抗拉强度和弹性模量均最高，使用温度范围最广。

全球碳纤维主要生产企业集中在日本、美国、欧洲（东丽、帝人、赫氏等）。2024年全球碳纤维市场规模估计57.5亿美元，预计2025-2030年复合年增长率10.9%，由风能应用中的碳纤维使用量上升推动。

中国已成全球最大碳纤维消费国与生产国。2023年中国碳纤维运行产能全球占比47.7%，预计2030年将占全球产能65%以上。2024年Q4价格方面，美国33.06美元/千克、中国27.56美元/千克、德国37.66美元/千克。中国价格较低，主要因风电和汽车行业需求下降及产能过剩。

碳纤维增强复合材料（CFRP）在机器人结构件中应用价值突出。波士顿动力Atlas机器人采用拓扑优化的CFRP关节支架，重量较铝合金减轻45%，弯曲模量达230GPa，可支撑跳跃时10倍自重冲击载荷。拓扑优化方法在结构优化中设计自由度更大，正逐步应用于机器人结构设计。

CFRP在机器人中的应用场景包括外壳材料、脊椎、大臂、小臂、大腿、小腿等结构件。常用碳纤维材料包括PAN基碳纤维（占总量90%以上）、沥青基碳纤维等。24K以下为宇航级小丝束碳纤维，48K以上为工业级大丝束碳纤维。

碳纤维产业链上游为聚丙烯腈（PAN）原丝、沥青等原材料，中游为碳纤维丝束（小丝束/大丝束）生产，下游为碳纤维复合材料及应用（航空航天、体育休闲、工业、汽车、机器人等）。

沃特股份、金发科技等国内企业积极布局碳纤维及复合材料。金发科技自主研发“良外观高强度连续纤维增强聚酰胺”（LFT-PA）一体化材料方案，可应用于机器人骨骼和关节等零件，实现以塑代钢的轻量化效果。金发科技现有改性塑料产能近400万吨/年，特种工程塑料产能3.4万吨/年。

表1：碳纤维与其他纤维性能对比

性能指标	碳纤维	芳纶	E级玻璃纤维	连续玄武岩纤维
密度（g/cm³）	1.7-2.2	1.49	2.5-2.6	2.6-2.8
抗拉强度（GPa）	3.5-7.0	2.9-3.4	3.1-3.8	3.0-4.8
弹性模量（GPa）	230-600	70-140	72.5-75.5	79.3-93.1
使用温度（℃）	最高2000	最高250	-60~350	-260~880