【复材资讯】碳纤维复合材料助力提高工业机械臂性能学术资讯

来源：中国复合材料学会

碳纤维复合材料作为高性能复合材料曾经被广泛地应用于航空航天等高端领域中。碳纤维复合材料重量轻、强度高，在国外一些新型的工业机器人手臂和底座中多有应用。与常规金属材料不同的是在于可以通过设计对它的力学寻根进行控制改变，设计自由度较大；利用碳纤维复合材料这一特性，我们可以对碳纤维机械臂设计不断地创新和结构优化，从而提高碳纤维机械臂的性能。

传统机械臂采用的是铝、钢等金属材料，工程师们最在意的就是机械臂定位校准是否准确；金属材料质量大，运动惯量增加，冲击力自然就会增大；这时候就会降低机械手臂的位置精度。碳纤维复合材料的密度仅有1.7g/cm3左右，相比于铝、钢等金属材质要轻得多，是名副其实的轻量化材料。将碳纤维复合材料应用于机械臂中，可以大大减轻机械臂的重量；自重越轻惯性越小，机械臂运转就会更快更平稳，位置精度也会提高；这对于工件的质量和产量是具有非常积极的作用的。

碳纤维复合材料强度和刚度都很高，机械臂在工作使用过程中有着较好的承载能力，不用担心出现断裂等损伤情况，也大大减少了机械臂的维护需求。由于碳纤维机械臂重量非常轻整体强度高，要比钢的强度还优秀，使用的时候可以发挥出更好的稳定性和功能性，在各种不同工业环境下都能够达到很好的效果，满足各种不同工作环境的使用要求，环境适应性很好。

机械手臂的刚性直接影响到抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位的精度。材料自身的刚性不够就会引起机械手臂在垂直平面内弯曲变形或是水平面内侧向的扭转变形，手臂就会随之产生振动，甚至是造成工件卡死。碳纤维机械手臂的抗拉强度约为1400MPa，是金属材质的7-9倍，在弹性模量和承载能力方面都比传统的金属材料更具优势，对高强度的操作频率有适应能力。

在温差变化大或者工作环境相对恶劣的场所，往往对机械臂的稳定性要求比较高。碳纤维复合材料不同于金属材质，热膨胀系数非常小稳定性特别高，在零下几十度甚至是零上200度左右的温差环境，依然可以保持不蠕变稳定的效果，操作使用的安全稳定性更强。

以定制的碳纤维机械臂为例，该碳纤维复合材料机械臂总长930mm，宽150mm，壁厚5mm，整只机械臂的总重量仅有3.5kg，将同尺寸的碳纤维机械臂和铝合金机械臂，在室温12℃中放置相同时间，最终铝合金机械臂零件变化0.13mm，而碳纤维则无变化，这对操作要求十分精准的机械臂来说尤为重要。

碳纤维复合材质在机械臂上的使用为机器人轻量化提供了良好的思路。机械臂除了在工业上的应用，在医疗设施和服务行业也开始逐步渗透，所以未来对其性能要求也越来越高，碳纤维机械臂将成为未来的发展趋势。

文章来源：挪恩复材

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来源：CSCM_OFFICE 中国复合材料学会

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