經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：腱繩材料的選擇——人形機(jī)器人專題（四）2024年1月4日目

錄腱繩驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢及適用場景腱繩材料的選擇與案例分析主流腱繩材料分析投資建議風(fēng)險(xiǎn)分析1腱繩驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢及適用場景表1：不同傳動(dòng)方式對(duì)比傳動(dòng)方式特點(diǎn)缺點(diǎn)腱本身的剛度有限，影響位置精度；控制時(shí)需要一定的預(yù)緊力，容易產(chǎn)生摩擦；腱的布局容易產(chǎn)生力矩和運(yùn)動(dòng)的耦合。這些因素都增加了手爪抓取控制的難度和復(fù)雜性。由腱（鋼絲繩、迪力馬繩等）加上滑輪或者軟管實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。腱一般具有很高的抗拉強(qiáng)度和很輕的重量，容易實(shí)現(xiàn)多自由度和遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳輸，節(jié)省空間和成本，是一種柔順傳動(dòng)方式。腱傳動(dòng)采用平面連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、加工制造容易、易獲得較高的精度，構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來實(shí)現(xiàn)，能夠較好實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)的軌跡的要求。連桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對(duì)手內(nèi)空間配置要求較高。驅(qū)動(dòng)器通過齒輪或蝸輪蝸桿將旋轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和手指之間的彈簧來驅(qū)動(dòng)手指產(chǎn)生齒輪/蝸輪蝸桿傳動(dòng)

動(dòng)作，手指部分采用金屬連接，各個(gè)手指動(dòng)作相互獨(dú)立，具有多種的抓取構(gòu)形，和別的多指靈巧結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對(duì)手內(nèi)空間配置要求較高，手指的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障。手相比，驅(qū)動(dòng)更加靈活，但是手指的閉合時(shí)間較長。人工肌肉（液壓/氣動(dòng)）液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式是近年來興起的一種重要的驅(qū)動(dòng)方式，是模擬人肌肉的一種驅(qū)動(dòng)方式。由于材料和技術(shù)的限制，這些“人工肌肉”技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人手爪實(shí)現(xiàn)可靠、快速和精確地抓取功能。按靈巧手手指的傳動(dòng)方式可分為腱繩傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、人工肌肉（液壓/氣動(dòng)）。傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅決定了靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且直接影響到靈巧手的抓取穩(wěn)定性和靈活性。腱傳動(dòng)對(duì)于空間狹小、傳動(dòng)精密的靈巧手空間設(shè)計(jì)較為友好，關(guān)鍵在于腱繩材料的選擇；連桿、齒輪等傳動(dòng)方式更為直接，但對(duì)空間、設(shè)計(jì)的要求較高。資料：小米技術(shù)微信公眾號(hào)2腱繩驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢及適用場景圖1：Robonaut

2

Hand

腱繩示意圖圖2：shadow

hand使用腱繩驅(qū)動(dòng)資料：韓如雪《腱驅(qū)動(dòng)空間多指靈巧手感知與控制關(guān)鍵技術(shù)研究》資料：Shadow

Robot官網(wǎng)腱繩傳動(dòng)使用腱繩傳遞動(dòng)力。一般電機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，通過滾珠絲杠上的螺母把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，腱繩形成一個(gè)腱環(huán)套在螺母上，螺母拉動(dòng)連接在靈巧手手指指骨上的腱繩，實(shí)現(xiàn)手指繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其中為了引導(dǎo)腱繩的走線，避免腱繩之間的干擾，采用腱繩外包裹導(dǎo)管的形式。3腱繩驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢及適用場景表2：不同傳動(dòng)方式對(duì)比傳動(dòng)方案原理簡圖驅(qū)動(dòng)器數(shù)目腱繩數(shù)目特點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少；需要預(yù)緊機(jī)構(gòu)N型N2N腱繩的傳動(dòng)方案對(duì)于腱驅(qū)動(dòng)手指動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的傳遞至關(guān)重要。目前，主流的腱繩傳動(dòng)方案有三種：N型、N+1型、2N型。其中，N、N+1、2N分別代表驅(qū)動(dòng)N個(gè)獨(dú)立自由度所需的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目。腱繩數(shù)目少；單根腱繩負(fù)載大N+1

型N+12NN+12N承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能較好；驅(qū)動(dòng)器數(shù)目多2N型資料：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)》4腱繩驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢及適用場景表3：常用腱繩張力測量方式名稱機(jī)構(gòu)簡圖特點(diǎn)串聯(lián)彈性體測量精度高、

傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差、

結(jié)構(gòu)體積大、

電路易疲勞為了檢測腱繩的受力情況，

腱繩張力傳感器必不可少。目前腱繩張力的測量方式主要有三種：串聯(lián)彈性體、包覆彈性體、偏置引導(dǎo)輪。包覆彈性體偏置引導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)尺寸小、

摩擦嚴(yán)重結(jié)構(gòu)尺寸較小、

摩擦較小、

傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好資料：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)》5目

錄腱繩驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢及適用場景腱繩材料的選擇與案例分析主流腱繩材料分析投資建議風(fēng)險(xiǎn)分析6腱繩材料的選擇與案例分析Robonaut

2Hand

于2010年由NASA和GM（通用汽車公司）聯(lián)合研制。圖3：Utah/MIT

靈巧手圖4：Robonaut

Hand最初被選為肌腱材料的是Spectra?，因?yàn)樗哂懈邚?qiáng)度和良好的耐磨特性。但經(jīng)過測試，Spectra?固有的蠕變性與Robonaut

2Hand

手指致動(dòng)系統(tǒng)不兼容，進(jìn)而導(dǎo)致滾珠絲杠致動(dòng)器的行程有限。經(jīng)過廣泛測試，研究團(tuán)隊(duì)選擇

Vectran?

作為肌腱材料，因?yàn)樗哂懈邚?qiáng)度以及抗拉伸和蠕變能力。通過使用

Teflon?與

Vectran?

混合編織，其耐磨性能得到改善。最終方案為：標(biāo)稱直徑

1.2毫米、斷裂強(qiáng)度為

181

公斤的肌腱材料，以實(shí)現(xiàn)尺寸、強(qiáng)度和磨損壽命之間的最佳平衡。在加入相關(guān)潤滑劑后，肌腱耐磨性超過100

萬次循環(huán)。資料：ComputerHistoryMuseum資料：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)》Utah/MIT靈巧手發(fā)明于1982年由美國猶他大學(xué)工程設(shè)計(jì)中心與麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室研制，共有32個(gè)驅(qū)動(dòng)器、32跟腱繩、32個(gè)腱繩張力傳感器，其腱繩材料選用Dacron

andKevlar混合制成。7腱繩材料的選擇與案例分析圖5：SDM

handSDMhand問世時(shí)間在2010年，由耶魯大學(xué)和哈佛大學(xué)共同研制。肌腱材料選用預(yù)拉伸的尼龍涂層不銹鋼絲，一端固定在遠(yuǎn)端連桿上，并穿過低摩擦尼龍

11管到達(dá)底座。資料：AaronM.Dollar《TheHighly

AdaptiveSDMHand:Designand

Performance

Evaluation》圖6：Yale

HandYale

Hand于2013年由耶魯大學(xué)研制。在腱繩方面，使用經(jīng)100磅測試的Spectra纖維。在很大的載荷下，肌腱容易磨損并切斷原型材料。為了防止這種情況，將3.18mm的鋼腱導(dǎo)銷壓入指狀物中，從而提供更硬的滑動(dòng)接觸，摩擦力顯著降低。資料：Raymond

R.Ma《AModular,

Open-Source

3DPrintedUnderactuated

Hand》8腱繩材料的選擇與案例分析圖7：Metamorphic

handMetamorphic

hand由King's

College

London

(KCL)與天津大學(xué)于2011年聯(lián)合研制。為了簡化手的控制，采用了欠驅(qū)動(dòng)策略和肌腱傳動(dòng)。材料方面，選用直徑為0.5mm的Carl

Stahl不銹鋼絲。圖8：PISA/IIT

hand資料：GUOWU

WEI《Kinematic

Analysis

andPrototype

of

aMetamorphic

Anthropomorphic

Handwith

aReconfigurable

Palm》PISA/IIT

hand于2012年由

IstitutoItaliano

di

Tecnologia（意大利理工學(xué)院）、Università

diPisa（比薩大學(xué)）共同發(fā)明。手指的驅(qū)動(dòng)是通過使用被動(dòng)防脫軌滑輪穿過所有關(guān)節(jié)的單個(gè)Dyneema腱來實(shí)現(xiàn)的。肌腱動(dòng)作使手指和拇指彎曲并內(nèi)收，抵消韌帶的彈力，并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)，而無需差速齒輪。資料：

M.G.

Catalano《Adaptive

synergiesforthe

designandcontrol

ofthePisaIIT

SoftHand》9腱繩材料的選擇與案例分析圖9：Washington

HandWashington

Hand發(fā)明時(shí)間為2016年，作者華盛頓大學(xué)。Washington

Hand手指骨架充分模仿人體結(jié)構(gòu)。使用鉤編韌帶來模擬指骨關(guān)節(jié)處的掌側(cè)韌帶和側(cè)韌帶，激光切割橡膠片用于模擬軟組織，提供類似人類的順應(yīng)性。肌腱方面，使用三塊激光切割橡膠片來模擬彈性滑輪機(jī)構(gòu)。由高強(qiáng)度Spectra?（屈服強(qiáng)度200

N）制成的屈肌腱通過幾個(gè)鉚釘加固端口穿過橡膠腱護(hù)套。資料：Zhe

Xu《Design

ofahighly

biomimeticanthropomorphic

robotic

handtowards

artificiallimbregeneration》10腱繩材料的選擇與案例分析圖10：David's

Hand圖11：DLR

HandI和DLR

HandII資料：德國宇航中心官網(wǎng)資料：德國宇航中心官網(wǎng)David'sHand共有兩個(gè)版本，David's

Hand

I和David'sHand

II發(fā)明時(shí)間分別為2010年和2014年。David'sHand

I選用鋼絲為肌腱材料，缺點(diǎn)是體積太大，無法插入手掌，尤其是在組裝和維護(hù)過程中的雙曲面。組裝過程中鋼絲不可避免的的折疊大大縮短了使用壽命。David'sHand

II先后考慮了Kevlar或Aramid肌腱，因?yàn)槠湓谀p、折疊和抗蠕變方面更為突出。然而，這些材料的終止是復(fù)雜的，因?yàn)榇蚪Y(jié)會(huì)顯著削弱肌腱，并且很難實(shí)現(xiàn)。最終David'sHand

II使用編織Dyneema材料，以防止拼接。Dyneema肌腱的測試顯示，其磨損明顯小于鋼或Kevlar肌腱（尤其是滑動(dòng)接觸）。DLRHand

I和DLRHand

II分別于1998年和2001年發(fā)明，均通過

SPECTRA?肌腱實(shí)現(xiàn)向手指關(guān)節(jié)的力傳遞。11腱繩材料的選擇與案例分析圖13：Spacehand圖12：DEXHAND資料：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》資料：MaximeChalon《Spacehand:a

multi-fingeredrobotichandfor

space》Spacehand

是DEXHAND的升級(jí)版本，專為在地球同步軌道上長期運(yùn)行而設(shè)計(jì)。手指的設(shè)計(jì)可主動(dòng)產(chǎn)生30N

的指尖力。

DEXHAND

傳動(dòng)系統(tǒng)使用聚合物Dyneema腱，該腱非常耐用，但對(duì)于長期任務(wù)而言，蠕變率過高。DEXHAND是德國宇航中心(DLR)于

2011

年研制的面向空間應(yīng)用的多指靈巧手。傳動(dòng)系統(tǒng)使用聚合物Dyneema腱和諧波傳動(dòng)裝置，將電機(jī)扭矩傳遞至關(guān)節(jié)。因此，Spacehand

選擇了一種新材料——“Marlow

Ropes”編織的高性能

Zylon

纖維。測試環(huán)境包括真空下的太陽模擬、真空下伽馬輻射的輻射測試、在不同材料上滑動(dòng)的耐久性測試以及模擬負(fù)載條件下的蠕變測試。同時(shí)，用于手指基部多次引導(dǎo)的滑動(dòng)材料也接受了相同的測試。在任務(wù)的預(yù)期環(huán)境條件下，所有材料均未表現(xiàn)出任何明顯的退化。12腱繩材料的選擇與案例分析表4：繩驅(qū)靈巧手的腱繩材料統(tǒng)計(jì)繩驅(qū)靈巧手Utah-MITDLR發(fā)布時(shí)間1982腱繩牌號(hào)Dacron

andKevlarSpectra?腱繩材料設(shè)計(jì)初衷科研指尖力聚酯纖維（滌綸）+芳綸纖維（凱夫拉）1998高強(qiáng)度聚乙烯纖維特氟龍+芳綸纖維不銹鋼絲航空（太空操作）航空（太空操作）30N（DLRHAND

II）Robonaut

2Hand2010Teflon?withVectran?SDMhand20102010尼龍涂層不銹鋼纜鋼絲工業(yè)David's

HandI航空（太空操作）20N指尖力Metamorphichand201120122012CarlStahl?不銹鋼絲Dyneema不銹鋼絲（直徑0.5mm）超高分子量聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維科研航空（太空操作）工業(yè)Dexhand25NZ軸抓力20N，換電機(jī)后最高可達(dá)28NPISA/IITDyneemaYale20132014Spectra?高強(qiáng)度聚乙烯纖維科研10NDavid's

HandIIDyneema超高分子量聚乙烯纖維航空（太空操作）40N指尖力WashingtonHand20162019Spectra?高強(qiáng)度聚乙烯纖維科研航空（長期太空操作）SpacehandZYLON纖維聚對(duì)苯撐苯并二噁唑1）腱繩材料整體分為不銹鋼、高分子纖維兩大類，其中高分子纖維使用更為廣泛；2）高分子纖維中以Dyneema和Spectra?兩種纖維為主流，分別為帝斯曼和霍尼韋爾生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維材料；3）早期使用的腱繩材料有特氟龍、芳綸纖維、滌綸等，但因性能方面不如超高分子量聚乙烯纖維而被淘汰；4）ZYLON纖維在長期作業(yè)方面優(yōu)于超高分子量聚乙烯纖維，在某些惡劣場景、長期高負(fù)載運(yùn)行情況下可以代替超高分子量聚乙烯纖維。資料：經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：航空航天篇——人形機(jī)器人專題（一）、經(jīng)典五指靈巧手拆13機(jī)：醫(yī)療假肢篇——人形機(jī)器人專題（二）、經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：科研及通用篇——人形機(jī)器人專題（三）等、光大證券研究所整理目

錄腱繩驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢及適用場景腱繩材料的選擇與案例分析主流腱繩材料分析投資建議風(fēng)險(xiǎn)分析14主流腱繩材料分析圖14：UHMWPE纖維超高分子量聚乙烯纖維簡稱UHMWPE纖維，別名又叫做高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，是分子量150萬以上的無支鏈的線性聚乙烯。它和碳纖維、芳綸合稱為“世界三大高科技纖維”。超高分子量聚乙烯樹脂最早由德國赫斯特公司于1958年研制成功，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。其后，美國赫爾克斯勒和日本三井化學(xué)、荷蘭DMS公司相繼實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。資料：國家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享微信公眾號(hào)UHMWPE分子鏈為-CH2-CH2-結(jié)構(gòu)，無側(cè)基，分子鏈結(jié)構(gòu)柔性極好，具有高度的對(duì)稱性和規(guī)整性，高倍拉伸時(shí)分子鏈沿拉伸方向發(fā)生高度取向和結(jié)晶，賦予UHMWPE纖維高強(qiáng)高模性能。UHMWPE纖維的力學(xué)性能是由內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和缺陷雜質(zhì)等決定的，其分子鏈的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)晶區(qū)由折疊鏈晶轉(zhuǎn)變?yōu)樯熘辨溇r(shí)，力學(xué)性能大幅提升。內(nèi)部缺陷雜質(zhì)和鏈纏結(jié)點(diǎn)等的減少也會(huì)大幅提升纖維的力學(xué)性能。此外，UHMWPE纖維還具有低密度、抗切割、耐腐蝕、耐磨損等其他優(yōu)異性能。圖15：UHMWPE纖維分子鏈的晶體結(jié)構(gòu)同時(shí)，UHMWPE纖維也存在明顯的不足，包括：①熔點(diǎn)低（約為138℃），高溫下纖維熔融喪失防彈功能；②抗蠕變性能較差，應(yīng)力作用下易發(fā)生形變；③表面化學(xué)惰性強(qiáng)，與樹脂界面結(jié)合強(qiáng)度低；④抗壓縮性能和抗剪切性能低；⑤不具備阻燃性能。資料：董彬《高性能有機(jī)纖維在防彈復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀》15主流腱繩材料分析國外發(fā)展：1957年，美國聯(lián)合化學(xué)公司首先制備出UHMWPE；1979年，荷蘭DSM公司申請(qǐng)了第一份關(guān)于UHMWPE纖維的發(fā)明專利，隨后DSM建成5套UHMWPE纖維生產(chǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，注冊(cè)商品名迪尼瑪；1983年，日本三井石化公司采用凝膠擠壓超倍拉伸法，以石蠟作溶劑，生產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維，商品名為Tekmilon；1986年，美國的聯(lián)合信號(hào)公司（AlliedSignal）購買了荷蘭專利，同時(shí)開發(fā)自己的生產(chǎn)工藝并申報(bào)了專利，于1988年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)發(fā)展：1999年，中國實(shí)現(xiàn)UHMWPE纖維工業(yè)化生產(chǎn)；2008年，儀征化纖建成國內(nèi)第一條干法紡絲UHMWPE纖維工業(yè)化生產(chǎn)線；2016年，中國UHMWPE纖維年產(chǎn)量突破9000噸；2019年，全球UHMWPE纖維產(chǎn)能達(dá)到6.46萬噸/年，其中中國產(chǎn)能約為4.10萬噸/年，占全球總產(chǎn)能的60％以上。16主流腱繩材料分析圖16：UHMWPE纖維產(chǎn)業(yè)鏈濕法鋰電池隔膜、蓄電池隔板、燒結(jié)過濾膜、

中空纖維反滲透膜膜材料管材料板/型材干法路線濕法路線熔融紡絲鋼塑復(fù)合管、大口徑海洋浮標(biāo)、輸油管道淤漿聚合Z-N催化劑各類護(hù)舷板、旱冰滑板、人工關(guān)節(jié)乙烯UHMWPE樹脂UHMWPE纖維關(guān)鍵步驟萃取纖維材料防彈材料、繩索及漁網(wǎng)、服裝家紡配料紡絲熱拉伸收絲資料：王新威《超高分子量聚乙烯材料的研究進(jìn)展》UHMWPE纖維的工藝制備流程包括：配料、紡絲、萃取、熱拉伸、收絲，其中關(guān)鍵技術(shù)包括超高分子量聚乙烯快速溶解技術(shù)、超高分子量聚乙烯纖維的連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)、多級(jí)超倍熱拉伸技術(shù)、萃取劑在線回收技術(shù)等。UHMWPE纖維的制備原材料為UHMWPE樹脂，其分子量、粒徑分布是影響紡絲的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。樹脂分子量高、粒徑分布窄、溶脹比大，所得纖維力學(xué)性能好。其次，在紡絲過程中可以進(jìn)行個(gè)性化改性，以制造出不同側(cè)重性能的產(chǎn)品。DSMDyneema公司基于聚合物基礎(chǔ)、纖維結(jié)構(gòu)和纖維性能間關(guān)系開發(fā)新纖維建立了3個(gè)技術(shù)平臺(tái)開發(fā)新纖維：Dyneema

ForceMultiplier技術(shù),Dyneema

Max技術(shù)和Dyneema

Diamond

技術(shù)，分別對(duì)應(yīng)超高強(qiáng)高模纖維、超低蠕變纖維、高防切割纖維。17主流腱繩材料分析表5：UHMWPE纖維工藝對(duì)比紡絲類型溶劑干法濕法十氫萘(易揮發(fā)，安全性低)礦物油(不易揮發(fā)，安全性高)去溶劑紡絲速度流程加熱揮發(fā)萃取慢快短長回收方式回收系統(tǒng)直接回收間接回收龐大，復(fù)雜密閉要求高，運(yùn)行效率要求高高強(qiáng)度聚乙烯的基本紡絲技術(shù)叫做“凝膠紡絲法”，1979年由荷蘭DSM公司向世界提出專利申請(qǐng)。超高相對(duì)分子質(zhì)量柔性鏈聚乙烯在溶液中，分子鏈呈擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，紡絲溶液的濃度達(dá)到半稀溶液時(shí)進(jìn)行紡絲，冷卻結(jié)晶，可取得理想的一個(gè)分子一個(gè)纏結(jié)的狀態(tài)，制得拉伸性非常好的凝膠絲。在高溫時(shí)，聚乙烯分子鏈間容易滑移，重新排列并可能結(jié)晶。因此凝膠絲加熱時(shí)，平穩(wěn)的高倍拉伸（超拉伸）可制得缺陷極少、分子高度取向，結(jié)晶度接近100%的高強(qiáng)度、高彈性模量纖維。超高分子量聚乙烯纖維凝膠紡絲工藝主要有兩大類：一類是干法工藝路線，即高揮發(fā)性溶劑干法凝膠紡絲工藝路線；另一類是濕法工藝路線，即低揮發(fā)性溶劑濕法凝膠紡絲工藝路線。采用的溶劑和后續(xù)工藝是這兩種工藝路線最大的區(qū)別，由于兩類溶劑特性區(qū)別大，從而后續(xù)溶劑脫除工藝也完全不同，各有優(yōu)勢。資料：智研咨詢《2023年中國超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)市場運(yùn)行態(tài)勢、產(chǎn)業(yè)鏈全景及發(fā)展趨勢報(bào)告》18主流腱繩材料分析圖17：典型的干法路線工藝流程樹脂在十氫萘溶劑中溶脹過程對(duì)于紡絲溶液均勻溶解至關(guān)重要，樹脂不同溶脹狀態(tài)喂入擠出機(jī)，對(duì)擠出機(jī)的壓力、扭矩及熔體最終擠出的狀態(tài)有較大影響。紡絲溶液均勻下料是影響纖維纖度的關(guān)鍵。初生纖維中溶劑的充分揮發(fā)是影響溶劑回收和纖維力學(xué)性能的關(guān)鍵，干法路線中，凍膠纖維經(jīng)過噴絲板擠出，利用惰性氣體將溶劑帶走，實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)與溶劑的兩相分離，然后凍膠纖維在甬道內(nèi)進(jìn)一步拉伸，繼續(xù)溶劑分離和大分子鏈結(jié)晶。超倍拉伸溫度、拉伸比和拉伸速度是影響纖維結(jié)晶和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，隨著纖維拉伸倍數(shù)的提高，纖維的取向趨于完善，其力學(xué)性能也隨之提升。資料：王新威《超高分子量聚乙烯材料的研究進(jìn)展》19主流腱繩材料分析傳統(tǒng)的濕法路線由于工藝的先天性缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性受到影響，特別是纖維旦數(shù)的偏差率普遍較高，優(yōu)化現(xiàn)有的工藝路線，進(jìn)一步提高纖維的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、功能性是目前濕法路線研究的重點(diǎn)。圖18：典型的濕法路線工藝流程凍膠斷點(diǎn)的優(yōu)勢在于凍膠纖維進(jìn)入盛絲桶后，一部分溶劑析出，減輕了后續(xù)萃取的壓力；前紡過程短，操作方便；然而由于盛絲桶凍膠絲堆積等原因?qū)е吕w維各段粗細(xì)偏差大，對(duì)后紡纖維的超倍拉伸、成品纖維力學(xué)性能提升等均有較大影響。濕法路線凍膠纖維萃取工藝干燥斷點(diǎn)有效避免了凍膠斷點(diǎn)法的缺陷，雖然其對(duì)裝備精度要求高，萃取壓力較大，但隨著加工技術(shù)的進(jìn)步和纖維行業(yè)對(duì)更高性能纖維的追求，干燥斷點(diǎn)法將成為后續(xù)濕法路線研究和產(chǎn)業(yè)化的熱點(diǎn)。資料：王新威《超高分子量聚乙烯材料的研究進(jìn)展》20主流腱繩材料分析表6：高性能有機(jī)抗彈纖維的基本性能纖維種類對(duì)位芳綸具體牌號(hào)拉伸強(qiáng)度/(cN/dtex)拉伸模量/(cN/dtex)斷裂伸長率/%密度/(g/cm3)極限氧指數(shù)/%熱分解溫度/℃生產(chǎn)廠家Kevlar?129226803.31.4429500美國DupontKevlar?KM2Twaron?2423245508406604.321.441.441.44292929500500500美國Dupont日本TeijinTaparon?629T3.7中國煙臺(tái)泰和Armos?26287002.52.51.441.443932550550俄羅斯化纖院俄羅斯化纖院Rusar?-S1200雜環(huán)芳綸Rusar?-NT3512002.61.4745550俄羅斯化纖院Staramid?F-3Dyneema?SK75Dyneema?SK7730344085031.440.970.97371717550150150中國中藍(lán)晨光荷蘭DSM103813003.83.8荷蘭DSMDyneema?SK99Spectra?1000Spectra?20004239351400140013003.72.930.970.970.97171717150150150荷蘭DSMUHMWPE美國Honeywell美國HoneywellSpectra?3000Zylon?-ASZylon?-HMM53638372350130011701800156017603.33.52.51.52.50.971.541.561.741.71768685959150650650530530美國Honeywell日本ToyoboPBO日本Toyobo美國Magellan美國MagellanM5ConservPIPDM5Goal5626502.51.759530美國Magellan注：紅色字體代表高端產(chǎn)品性能指標(biāo)資料：董彬《高性能有機(jī)纖維在防彈復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀》21主流腱繩材料分析表7：UHMWPE纖維的優(yōu)劣勢分析優(yōu)缺點(diǎn)具體特點(diǎn)簡要說明在線性密度相同的情況下，超高分子量聚乙烯纖維抵抗拉伸的強(qiáng)度是鋼絲繩的15倍。比同為“世界三大高科技纖維”之一的芳綸高百分之四十，比優(yōu)質(zhì)鋼纖維和普通的化學(xué)纖維高10倍。優(yōu)良的力學(xué)性能優(yōu)良耐沖擊性能

它在變形和塑形過程中的吸收能量的能力和抵抗沖擊的能力比同為“世界三大高科技纖維”的芳綸纖維、碳纖維都高。優(yōu)良的耐磨性能

將超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維、芳綸纖維的增強(qiáng)塑料摩擦系數(shù)比較，超高分子量聚乙烯纖維的耐磨性和彎曲疲勞度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳纖維和芳綸纖維。將超高分子量聚乙烯纖維和芳綸纖維進(jìn)行在不同化學(xué)品介質(zhì)中的強(qiáng)度保留率進(jìn)行比較。超高分子量聚乙烯纖維的耐腐蝕性能明顯高于芳綸纖維，它在酸、堿、鹽中的優(yōu)勢耐化學(xué)腐蝕性性質(zhì)結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定，只有在次氯酸鈉溶液中強(qiáng)度有所損失。良好的耐光性能

因?yàn)槌叻肿恿烤垡蚁├w維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以它的耐光性也是高科技纖維中最優(yōu)越的其他性能熔點(diǎn)較低良好的疏水性能、耐水耐濕性能、電絕緣性能和較長的曲折壽命。在對(duì)其加工過程中溫度不能超過130℃，否則就會(huì)因?yàn)槌叻肿恿烤垡蚁├w維之間分子鏈間作用力較弱的原因，使其發(fā)生蠕變現(xiàn)象，減短使用壽命。劣勢浸潤性和染色性差

超高分子量聚乙烯纖維上不存在染基團(tuán)，使其浸潤性差，染料很難滲透到纖維內(nèi)部，導(dǎo)致它的染色性差，這些缺點(diǎn)影響了它的應(yīng)用領(lǐng)域的范圍。資料：國家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享微信公眾號(hào)22主流腱繩材料分析一、產(chǎn)能規(guī)?，F(xiàn)狀我國超高分子量聚乙烯纖維的產(chǎn)能在持續(xù)增長。自2010年以來，我國超高分子量聚乙烯纖維的產(chǎn)能已經(jīng)超過全球總產(chǎn)能的50%，2021年，總產(chǎn)能約4.3萬噸/年，截至2022年我國超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)能約為7.45萬噸/年。二、產(chǎn)能結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及成因圖19：中國UHMWPE纖維產(chǎn)能與產(chǎn)量現(xiàn)狀：我國超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)能結(jié)構(gòu)層次較低。整體呈現(xiàn)中低端產(chǎn)能富余、高端產(chǎn)能緊缺的情況，尤其在醫(yī)用縫合線、天線罩等高端產(chǎn)能（萬噸）產(chǎn)量（萬噸）86420應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)仍處于起步階段，在產(chǎn)品一致性及穩(wěn)定性、抗蠕變產(chǎn)品等細(xì)分領(lǐng)域仍處于不斷追趕海外龍頭公司的位置。成因：主流工藝存在先天缺陷，新興工藝發(fā)展不足。超高分子量聚乙烯纖維凝膠紡絲工藝主要有兩大類：一類是干法工藝路線；另一類是濕法工藝路線。濕法路線作為主流工藝，具有先天性缺陷。傳統(tǒng)濕法路線會(huì)使得產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性受到影響，特別是纖維旦數(shù)的偏差率普遍較高，提高纖維的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、功能性是目前采用濕法路線企業(yè)研究的重點(diǎn)。干法路線，作為新興工藝具備更多優(yōu)勢。如工藝流程短、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，其制備的纖維具備表面平整和缺陷少等優(yōu)點(diǎn)。不過與濕法路線相比，目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化的干法路線凍膠過程不充分，導(dǎo)致干法纖維性能與濕法纖維存在差異。干法路線存在巨大發(fā)展空間。2019202020212022資料：智研咨詢23主流腱繩材料分析需求領(lǐng)域：軍用、民用和其他軍用：防護(hù)材料和航空航天。圖20：中國UHMWPE纖維需求量情況（萬噸）民用：繩索和漁網(wǎng)；服裝及家紡；體育器材用品；用作生物材料。其他：航空領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域等。需求量76543210需求規(guī)模：國內(nèi)需求持續(xù)增長據(jù)同益中招股書披露，2015年至2020年，中國超高分子量聚乙烯纖維需求量復(fù)合增長率為19.68%，2021年至2025年，預(yù)期中國超高分子量聚乙烯纖維需求量復(fù)合增長率為15.73%。需求結(jié)構(gòu)：當(dāng)前現(xiàn)狀：主要滿足軍用需求。2019202020212022未來趨勢：軍用民用兩端需求持續(xù)增長；民用需求占比持續(xù)提高。一方面軍用需求持續(xù)增長。國際形勢變幻不定，國內(nèi)國外軍用需求加速增長。另一方面民用需求后勁十足。國內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維于傳統(tǒng)下游的需求不減。如海洋產(chǎn)業(yè)、紡織服飾領(lǐng)域和體育用品領(lǐng)域需求逐漸旺盛。資料：智研咨詢24主流腱繩材料分析全球格局：行業(yè)集中度較高。從企業(yè)來看，全球主要的企業(yè)有塞拉尼斯，巴西布拉斯科，大韓油化公司，上海聯(lián)樂化工，九江中科鑫星新材料和利安德巴塞爾。其中塞拉尼斯是全球市場的領(lǐng)導(dǎo)者。從地區(qū)來看，超高分子量聚乙烯的生產(chǎn)消費(fèi)主要集中于中國、美國、日本、韓國，德國等地。其中中國占據(jù)了36.7%的消費(fèi)市場份額。國內(nèi)格局：我國超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)形成規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)相對(duì)較少，行業(yè)集中度有待提升，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、單線產(chǎn)能有待進(jìn)一步提高，生產(chǎn)成本有待進(jìn)一步降低。我國超高分子量聚乙烯纖維主要生產(chǎn)企業(yè)已近20家，主要企業(yè)有浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司、北京同益中新材料科技股份有限公司、江蘇九州星際新材料有限公司等。目前，國內(nèi)外市場上的超高分子量聚乙烯纖維按機(jī)械性能分為高端和中低端，高端超高分子量聚乙烯纖維拉伸強(qiáng)度大于等于39cN/dtex、拉伸模量大于等于1500cN/dtex，目前國內(nèi)90%以上的則是拉伸強(qiáng)度小于39cN/dtex、拉伸模量小于1500cN/dtex的中低端聚乙烯纖維。25主流腱繩材料分析表8：UHMWPE纖維的優(yōu)劣勢分析企業(yè)名稱業(yè)務(wù)概況同益中是國內(nèi)首批掌握全套超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)技術(shù)和較早實(shí)現(xiàn)超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)龍頭企業(yè)，擁有超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈布局。北京同益中新材料科技股份有限公司目前，公司已成為國內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)中常規(guī)細(xì)絲生產(chǎn)規(guī)模有色絲品類、產(chǎn)品一致性等方面具有較強(qiáng)競爭力的企業(yè)之一，產(chǎn)品已銷售至北美、歐洲、東南亞等眾多國際市場。浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司山東南山智尚科技股份有限公司公司2022年順利完成超高分子量聚乙烯纖維一期600噸項(xiàng)目的全面投產(chǎn)并逐步升級(jí)成品工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品纖維纖度從400D到800D的全線轉(zhuǎn)變。2022年公司UHMWPE纖維收入為1952.06萬元。九州星際科技有限公司是一家專業(yè)從事超高分子量聚乙烯纖維研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，目前公司超高分子量聚乙烯纖維年產(chǎn)能達(dá)到32000噸，位居全球第一，公司致力打造超高分子量聚乙烯纖維全球?qū)I(yè)化生產(chǎn)工廠。江蘇九州星際新材料有限公司中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司公司是中國石化中高端聚酯生產(chǎn)基地和特種纖維生產(chǎn)基地。擁有PTA產(chǎn)能142萬噸/年(含合資權(quán)益產(chǎn)能42萬噸/年)，240萬噸/年聚酯產(chǎn)能(含聚酯切片、短纖、中空、瓶片)，超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)能3300噸/年。資料：

智研咨詢國際上，荷蘭DSM、美國Honeywell和日本Toyobo三家企業(yè)壟斷著全球超高分子量聚乙烯纖維高端產(chǎn)品技術(shù)。近年來，隨著超高分子量聚乙烯纖維在軍事、航空航天和民用領(lǐng)域應(yīng)用需求的提升，中國企業(yè)產(chǎn)能逐步擴(kuò)大，雖然中國代表性企業(yè)超高分子量聚乙烯纖維的市場占有率在逐漸上升，但是中國本土企業(yè)產(chǎn)品主要以中低端產(chǎn)品為主。目前，我國超高分子量聚乙烯纖維主要生產(chǎn)企業(yè)已近20家，主要企業(yè)有浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司、北京同益中新材料科技股份有限公司、江蘇九州星際新材料有限公司等。26主流腱繩材料分析德國Carl

Stahl（卡爾施達(dá)）公司成立于1880年，是一家集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售為一體的專業(yè)化起重吊索具集團(tuán)企業(yè)。CarlStahl旗下有兩個(gè)主營不銹鋼絲繩的子公司，分別是Technocable（德國）、Sava（美國）。Technocable的鋼絲繩主要集中于普通的進(jìn)口不銹鋼鋼絲繩，同時(shí)種類更多，適用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、機(jī)器人等多種行業(yè)和生產(chǎn)應(yīng)用；Sava則集中精力在更細(xì)的進(jìn)口不銹鋼鋼絲繩，在1mm以下的進(jìn)口不鋼絲繩產(chǎn)品范圍更加豐富。Sava為手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度、耐用的鎢鋼絲繩組件，所涉及的鎢纜可由多達(dá)

700

根電線組成，直徑小至

0.0005

英寸，在單次手術(shù)中執(zhí)行超過1000個(gè)周期。圖21：手術(shù)機(jī)器人用鎢鋼絲圖22：使用鎢鋼絲的手術(shù)機(jī)器人資料：

Sava公司官網(wǎng)27資料：

Sava公司官網(wǎng)主流腱繩材料分析霍尼韋爾Spectra?

MG醫(yī)用纖維是一種生物相容、質(zhì)地超輕的高強(qiáng)度聚乙烯纖維，由凝膠紡絲工藝制成。在醫(yī)療領(lǐng)域，其用途包括醫(yī)用縫合線、外科手術(shù)機(jī)器人傳力部件、導(dǎo)管設(shè)計(jì)、韌帶重建等。根據(jù)霍尼韋爾官網(wǎng)信息，同等重量下，Spectra?MG的強(qiáng)度是鋼的15倍，但質(zhì)地輕得能漂在水面；相同體積下，Spectra?MG的強(qiáng)度是聚酯纖維的3倍。圖23：SPECTRA?醫(yī)用纖維應(yīng)用場景圖24：SPECTRA?醫(yī)用纖維產(chǎn)品指標(biāo)細(xì)絲丹尼爾

相對(duì)強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度模量(g/den)伸長率(%)產(chǎn)品旦尼爾

分特克斯(dpf)(g/den)(lbs)MG50MG10MG13MG21MG37MG43資料50551.32.53.33.66.33.645.05.09.01650158013901320120012602.82.93.22.93.13