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碳纤维复合材料是建造高性能机器人的理想材料之一，目前世界上发达国家的空间机器人和大型机械臂多由此种材料制作而成。碳纤维复合材料具有优良的物理特性，它的比强度高，比刚度大，力学性能可以通过设计进行控制改变，而且其在不同温度中变形极微。
以往的工业机器人是由钢和铝制成的，一个一米长的铝结构机械臂杆件，在室温变化12℃的环境里，杆件变化0.13mm，这将大大影响机器人的精度。对高模量碳纤维复合材料来说，如果优化设计纤维的铺层和方向，却可以达到近似零热变形的设计效果，这是普通金属材料无法实现的。
对于给定的机器人运动（具有一定的载荷，在一定的速度下），末端操作器的弹性动力学响应、机械精度、重复性、末端操作器的稳态时间等特性都受到结构部件的质量、刚度、阻尼特性的影响。从力学方面分析，减少质量将降低惯量，提高操作速度；增加刚度将降低挠度；增加材料的阻尼将减少稳态时间。通过设计，合理地选择机械臂的材料特性和几何尺寸，适当选择变量，通过这些特性的改进将有利于提高控制精度。
我们在使用碳纤维复合材料制作机械臂时发现，碳纤维复合材料的铺层方式对上述机械臂的耐热性和力学性能产生直接影响。因此，下面将以无锡威盛新材料科技有限公司(简称：威盛新材）的碳纤维机械臂生产为案例，对该问题作一个简单的分析和说明。
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无锡威盛新材料科技有限公司的科研团队主攻碳纤维复合材料的研发和生产已有十多年的时间，特别是在碳纤维机械臂的应用方面，是属于国内起步较早、发展较快的一家碳纤维装备制造商。其为哈尔滨某知名机器人制造企业制造的机械臂已进入批量生产环节，在行业内具有一定的影响力，在机械臂的生产制造方面也有许多经验可供借鉴。在制作机械臂时，威盛新材对碳纤维复合材料的铺层处理，主要是根据机器人的性能需求，确定碳纤维复合材料的铺层方向、铺层的顺序和铺层总层数。
1、根据载荷的主方向设定铺层方向
过多的铺层角度取向会给设计工作以及制件成型增加复杂度，所以在满足设计要求的情况下尽可能减少铺层方向数，在铺层设计时，铺层角度一般多选取0°、+45°、-45°、90°这四种，对于其它特殊情况则需另案处理。如果需要将复合材料层合板设计成为准各向同性的，可以用60°的铺层方向（60/0/-60)s，对于使用缠绕工艺制造的制件来说，则不受这些限制。
在实际操作中，角度取向需要根据所承担载荷的类型来选择，即为了最大程度的利用纤维在轴向上的高性能，纤维铺设方向要根据载荷的主方向设定，在点应力状态，角度为0°的铺层对应正应力，角度为±45°的铺层对应剪应力，角度为90°的铺层是用来保证在复合材料制件的径向上有足够的正压力，若复合材料制件承受的载荷以拉压载荷为主，那么铺层方向应该选择拉压载荷的方向；若复合材料制件承受的载荷以剪切载荷为主，那么铺层之中要以+45°和-45°成对铺设为主；若复合材料制件所承受的载荷情况复杂，同时包括多种载荷，那么铺层设计时以0°、±45°、90°多方向混合铺设。
2、调整铺设方式增加碳纤维复合材料的整体性能
为了避免复合材料机械臂制件的基体在各方向上承受载荷，对于选择0°、+45°、-45°、90°四种基本铺层方式铺层的复合材料制件，每一个方向的铺层数占总铺层数的百分比应不小于6％-10％。
在具体铺设时，一般复合材料制件的铺层均采取对称均衡铺设。对称均衡铺设的特点就是在整体的铺层之中，上下铺层关于中间面对称，如果需要设计成非对称均衡铺层，应将这类非均衡或是非对称的铺层布置于靠近整体铺层中间的位置，这种方式能有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。
在铺设的顺序上还应注意两个方面：第一，为了减少按照相同的方式铺放的相邻两层分层开裂的可能性，一般连续的相同铺层不超过四层，对性能要求更高的复合材料制件不超过两层；第二，为了降低机械臂的层间应力，在使用上述四种铺层角度时，应该尽量将0°层或者90°层布置在±45°层中间，将﹢45°层或者是-45°层布置在0°层与90°层中间。
3、铺层总厚度要兼顾外部尺寸和内部空间
为了不减工业机器人原有的自由度，并保证其原有性能，碳纤维复合材料机械臂在设计时，要维持外部尺寸大小不变，机械臂的内部同时要给布线以及控制电路的安装留有足够的空间，所以机械臂的壳体厚度要在一定的区间内，下限是维持原有性能的最低值，上限是不超过原铸铁结构臂厚度。
通过威盛新材批量生产出的机械臂案例可知，该碳纤维复合材料机械臂制造成本大约是铸铁机械臂的5.5倍，但是在满足工业机器人性能要求的前提下，碳纤维复合材料机械臂要比铸铁机械臂重量减轻72％，机器人的动力学性能因而得到显著提升，同时能耗明显降低。使用碳纤维复合材料替代传统的钢和铝制作机械臂对提升工业生产效率、节约能源保护环境等方面意义重大。我们也相信，随着我国对碳纤维复合材料的基本性能、典型结构、强度分析及成型工艺等方面研究的深入，碳纤维复合材料将在机器人制造中扮演着越来越重要的角色。
参考文献
【1】陈丰，《碳纤维复合材料机械臂设计》，《郑州工学院学报》，1992，12.
【2】田龙飞，《工业机器人用碳纤维复合材料上臂的设计》，中国科学院大学2014年硕士毕业论文。
帅哥小蜜
1.1 碳纤维及石墨纤维的发展简史1.1.1 研发碳纤维的先驱者——斯旺和爱迪生1.1.2 聚丙烯腈基碳纤维发明者——进藤昭男1.1.3 从东丽公司碳纤维发展历程看原丝的重要性1.1.4 我国研制PAN基碳纤维的历程1.2 当前世界PAN基碳纤维的主要生产厂家及产品性能1.2.1 小丝束PAN基碳纤维1.2.2 大丝束碳纤维1.3 碳纤维的发展趋势1.4 应用领域参考文献 2.1 聚丙烯腈的晶态及其多重结构2.1.1 聚丙烯腈的晶胞及构象2.1.2 聚丙烯腈的球晶及其多重结构2.1.3 聚丙烯腈的构型2.2 聚合2.2.1 均相溶液自由基聚合原理2.2.2 分子量调节剂2.2.3 共聚单体及其竞聚率2.2.4 聚合方法2.2.5 氨化2.2.6 混批和混合2.2.7 脱单、脱泡2.3 纺丝2.3.1 凝固成纤过程中的相分离2.3.2 凝固过程中的双扩散2.3.3 湿法纺丝2.3.4 干喷湿纺2.3.5 喷丝板2.3.6 牵伸与取向2.3.7 干燥致密化2.3.8 松弛热定型2.3.9 陶瓷导丝及其导辊2.3.1 0纺丝用的定位沟槽辊2.4 分析测试及表征（聚合?纺丝?原丝）2.4.1 用核磁共振测定聚合物的组成及其立构规整度2.4.2 用红外光谱法测定共聚物的组成2.4.3 特性黏度[η]的测定方法及其与重均分子量（Mw）的关系2.4.4 用渗透压法测定聚合物的数均分子量（Mn）及其分子量分布2.4.5 用凝胶渗透色谱（GPC）测定分子量及其分子量分布2.4.6 转化率的测定方法2.4.7 临界浓度的测定方法2.4.8 纺丝液与凝固液之间润湿性的测定方法2.4.9 纺丝液黏度斑（黏度CV值）的测定方法2.4.10 用TEM观察原纤（fibril）直径——细晶化的源头2.4.11 凝固丝条拉伸模量及凝固丝条纤度的测定方法2.4.12 用压汞法测定凝固丝条的孔隙率及其平均孔径2.4.13 用DSC法测定凝固丝条的孔径尺寸2.4.14 密度法测定原丝的孔隙率2.4.15 用小角X射线散射测定凝固丝条中的微孔数目2.4.16 相分离与膨润度及其测定方法2.4.17 水洗后丝条中残留溶剂量的测定方法2.4.18 用二次离子质谱仪测定原丝中硼（B）的径向分布2.4.19 用WAXD测定PAN原丝的结晶取向度2.4.20 PAN原丝的结晶度和微晶尺寸的测定方法2.4.21 用密度法计算非晶区的密度2.4.22 用X射线衍射仪（粉末法）测定PAN原丝的晶间距2.4.23 用红外二色法测定氰基的总取向2.4.24 用染料二色法测定PAN原丝非晶区的取向度2.4.25 声速法测定纤维的总取向2.4.26 玻璃化温度及其测定方法2.4.27 纤维密度与相对密度的测定方法2.4.28 PAN原丝的致密性测定方法2.4.29 失透度及测试方法2.4.30 纤度及其CV值的测定方法2.4.31 沸水收缩率的测定2.4.32 纤维含水量的测定2.4.33 单丝直径及其CV值的测定2.4.34 单丝形貌2.4.35 纤维的光泽度及其测定方法2.4.36 用扫描电镜测定湿纺PAN原丝的表面粗糙系数2.4.37 评价PAN原丝的最大牵伸率装置参考文献 3.1 预氧化过程中的变化3.1.1 物理变化3.1.2 化学反应3.1.3 结构转化3.2 预氧化机理3.2.1 结构转化与颜色变化3.2.2 预氧化过程中的主要反应3.3 预氧化过程中的物性变化3.3.1 牵伸与收缩3.3.2 温度和温度梯度3.3.3 纤维强度的下降3.3.4 密度的变化3.4 预氧化过程中的质量控制指标之一（氧的径向分布与均质预氧丝）3.5 预氧化设备及其工艺参数3.5.1 概述3.5.2 预氧化炉3.6 头尾衔接技术3.7 预氧丝的质量检测及其相关的测定方法3.7.1 预氧丝中含氧量的测定方法3.7.2 预氧丝含湿量（含水量）的测定方法3.7.3 预氧丝相对密度和密度的测定方法3.7.4 用XRD测定芳构化指数3.7.5 用红外光谱测定相对环化度3.7.6 用红外分光法测定预氧丝中残留氰基3.7.7 用DSC测定环化度（芳构化指数）3.7.8 皮芯结构的测定方法3.7.9 甲酸溶解度3.7.10 用二次离子质谱仪测定纤维中O、Si、B的径向分布3.7.11 极限氧指数的测定方法3.7.12 失控氧化温度的测定方法3.7.13 火焰收缩保持率的测定方法3.7.14 预氧化炉内水分的测定方法参考文献 4.1 固相碳化机理4.1.1 聚丙烯腈碳化机理4.1.2 固相碳化的主要反应4.2 孔隙产生规律及其对碳纤维性能的影响4.2.1 孔隙的变化规律及其对碳纤维拉伸强度的影响4.2.2 密度与孔隙率4.2.3 孔隙尺寸和形状对碳纤维拉伸强度的影响4.3 碳化过程中结构演变4.3.1 皮芯结构4.3.2 结构参数的变化4.4 低温碳化工艺与设备4.4.1 碳化概述4.4.2 低温碳化设备4.4.3 非接式迷宫密封装置4.4.4 焦油的产生及其排除方法4.4.5 废气处理4.4.6 密封氮气与载气氮气4.4.7 牵伸机组及槽辊4.5 高温碳化炉4.5.1 高温碳化炉的发热体4.5.2 设计高温碳化炉的其他几个技术要素4.5.3 高温碳化炉的种类4.5.4 牵伸4.5.5 定位槽辊4.6 碳纤维的测定方法4.6.1 超声波脉冲法在线测定碳纤维的模量4.6.2 用荧光X射线法测定碳纤维的硅含量4.6.3 用激光拉曼光谱测定碳纤维结晶性的径向分布4.6.4 用电子自旋共振（ESR）研究碳纤维的结构特征4.6.5 用电子能量损失谱测定氮的径向分布4.6.6 在线测定丝束宽度的方法与装置4.6.7 高温碳化炉的内压测定方法参考文献 5.1 石墨化机理5.1.1 固相石墨化5.1.2 石墨微晶的形状因子5.1.3 石墨化敏感温度5.1.4 层间距d002与HTT的关系及其（002）晶格图像5.1.5 用HRSEM观察石墨纤维的结构形貌5.2 催化石墨化5.2.1 催化石墨化及其效果5.2.2 硼及其催化石墨化5.2.3 硼的引入途径5.3 石墨化炉及种类5.3.1 塔姆式电阻炉5.3.2 感应石墨化炉5.3.3 射频石墨化炉5.3.4 等离子体石墨化炉5.3.5 光能石墨化炉5.4 石墨化度及其评价方法5.4.1 石墨化度5.4.2 磁阻5.4.3 石墨纤维的皮芯结构参考文献 6.1 界面传递效率6.1.1 润湿与接触角6.1.2 表面处理与表面能6.2 复合材料的界面6.2.1 界面层的生成原理6.2.2 机械嵌合（锚定效应）6.2.3 化学键合6.3 碳纤维的表面处理方法之一——阳极氧化法6.3.1 阳极电解氧化法原理6.3.2 连续直接通电式阳极氧化装置6.3.3 脉冲通电的阳极氧化装置6.3.4 非接触式通电的阳极电解氧化装置6.3.5 阳极氧化的主要工艺参数6.4 臭氧表面处理法6.4.1 臭氧及其主要性质6.4.2 臭氧表面处理方法6.5 表面处理效果的评价方法6.5.1 层间剪切强度的测试方法6.5.2 界面剪切强度的测试方法参考文献 7.1 上浆剂7.1.1 上浆剂及其界面性能7.1.2 上浆剂的作用及要求7.2 上浆剂的组成7.2.1 碳纤维的上浆主剂——双酚A环氧树脂7.2.2 双酚A环氧树脂的改性7.2.3 上浆辅剂7.3 乳液型上浆剂的配制方法——转相法7.4 碳纤维的上浆方法7.4.1 上浆装置的扩幅机构7.4.2 具有空气流动场的上浆装置7.4.3 具有吹气狭缝的上浆装置7.4.4 具有循环系统的上浆装置7.5 几种上浆剂的配制7.5.1 组合型功能上浆剂7.5.2 乳化型上浆剂7.5.3 纳米改性型上浆剂7.5.4 油溶性上浆剂7.5.5 增韧改性的上浆剂7.6 上浆的性能指标及其评价方法7.6.1 开纤性评价装置7.6.2 乳液型上浆剂的粒径测定方法7.6.3 上浆剂的时效稳定性的测定方法7.6.4 上浆量的测定方法7.6.5 毛丝数的测定方法7.6.6 摩擦系数的测定方法7.6.7 浸润性的评价方法7.6.8 悬垂值D及其测定方法7.6.9 含水率与平衡含水率7.6.1 0用Wilhelmy吊片法测定上浆性能参考文献 8.1 碳的丰度及性质8.2 碳原子的杂化轨道及成键原理8.2.1 SP3杂化8.2.2 SP2杂化8.2.3 SP杂化8.3 碳的结晶结构8.3.1 金刚石8.3.2 石墨8.3.3 卡宾8.4 碳的相图和碳的升华8.4.1 碳的相图8.4.2 碳的升华8.5 碳的多种形态结构8.6 碳纤维的结构8.6.1 碳纤维的皮芯结构8.6.2 碳纤维的孔结构8.6.3 碳纤维的结构模型8.7 测试方法8.7.1 用XRD测定碳纤维的结构参数8.7.2 用电子显微镜研究碳纤维的结构8.7.3 用XRD测定取向度8.7.4 用ESR研究碳纤维的微细结构8.7.5 用Raman光谱研究碳纤维结构的多相性8.8 碳纤维和石墨纤维的形态结构与性能8.8.1 缨状原纤弯曲度8.8.2 碳纤维的结构参数及其性能8.8.3 碳纤维结构的非均质性8.8.4 高强高模型碳纤维（MJ系列）参考文献 9.1 拉伸强度与缺陷9.1.1 格拉菲斯微裂纹理论9.1.2 缺陷类型9.1.3 碳纤维拉伸强度的分散性及其表征方法9.2 碳纤维和石墨纤维的压缩强度9.2.1 压缩强度9.2.2 碳纤维复合材料的压缩强度9.2.3 测定压缩强度的方法9.3 拉伸模量9.4 热性能9.4.1 热膨胀9.4.2 热导率9.4.3 热容量9.4.4 复合材料的热性能9.4.5 热氧化9.5 碳纤维的电性能9.5.1 导电原理9.5.2 碳纤维的电阻率及其影响因素9.5.3 碳纤维电阻率的测定方法9.6 磁性能9.6.1 磁阻9.6.2 磁化率参考文献 10.1 碳纤维增强树脂基复合材料10.1.1 热固性基体树脂10.1.2 成型技术10.1.3 预成型中间物10.1.4 热塑性基体树脂10.2 碳/碳复合材料10.2.1 碳/碳复合材料的制造10.2.2 短切碳纤维制造C/C复合材料10.2.3 抗氧化处理10.3 碳纤维增强陶瓷复合材料10.3.1 碳纤维增强碳化硅（CFRSiC）复合材料10.3.2 碳纤维增强氮化硅复合材料10.4 碳纤维增强金属基复合材料10.4.1 两相界面层10.4.2 碳纤维表面的防护方法10.4.3 碳纤维增强铝基复合材料（CF/Al）10.4.4 碳纤维增强铜基复合材料（CF/Cu）10.5 碳纤维纸和碳纤维布10.5.1 造纸用碳纤维的前处理10.5.2 高级碳纤维纸的制造工艺10.5.3 碳纤维布10.6 碳纤维增强橡胶材料10.6.1 碳纤维的选择10.6.2 RFL乳液参考文献 11.1 在航天及军工领域方面的应用11.1.1 航天飞机11.1.2 宇宙探测器11.1.3 人造卫星11.1.4 火箭与导弹11.1.5 舰艇方面的应用11.1.6 石墨炸弹11.1.7 浓缩铀与原子弹11.2 在航空和军工领域中的应用11.2.1 战斗机11.2.2 直升机11.2.3 无人飞机11.2.4 民航客机及大飞机11.2.5 制动刹车材料11.2.6 隐身材料与隐身战机参考文献 12.1 在汽车工业中的应用12.1.1 汽车轻量化，节能降耗12.1.2 压缩气罐（瓶）12.2 碳纤维复合材料辊筒12.3 在新能源领域中的应用12.3.1 风力发电12.3.2 太阳能发电12.3.3 碳纤维复合芯电缆12.3.4 海洋油田方面的应用12.3.5 核能方面的应用12.4 在基础设施和土木建筑方面的应用12.4.1 应用形式和性能的匹配12.4.2 碳纤维复合材料绳索12.5 电热、抗静电和耐热制品12.5.1 电热制品12.5.2 抗静电制品12.5.3 耐热制品12.6 文体休闲器材12.7 碳纤维在医疗器械、生物材料和医疗器材方面的应用12.7.1 医疗器械12.7.2 生物材料12.7.3 医疗器材12.8 碳纤维修复水生态环境12.9 其他方面的应用12.9.1 轨道交通工具12.9.2 机器人部件12.9.3 笔记本电脑12.9.4 宇宙望远镜的构件12.9.5 盘根及密封环12.9.6 音响设备和乐器参考文献
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