5G通信与可穿戴电子正把柔性材料推向两难：既要像皮肤一样捕捉吞咽、关节弯曲这类微弱力学信号，又要在复杂电磁环境中屏蔽干扰，而单一功能材料难以兼顾。已报道的MXene/聚氨酯传感器响应时间虽只有1.8 s，电磁屏蔽效能（EMI SE）却仅26.5 dB；热塑性聚氨酯/石墨烯气凝胶灵敏度12.5 kPa⁻¹，EMI SE仅26.87 dB。石墨烯气凝胶（GA）密度低、孔隙率高、导电性好，却难逃片层重堆叠、力学强度低、脆性与循环稳定性差；芳纶纤维（AF）力学性能优异，本身却是绝缘体，传统管式炉高温退火又费时耗能。
针对上述问题，上海大学霍彩霞联合吉林大学李风华团队提出“一次热冲击、两步成型”的策略：先让碱化芳纶与氧化石墨烯（GO）复合，再用闪蒸焦耳热（FJH）在氩气中把材料瞬时加热至1500 ℃、保温5 s并循环5次，同步完成GO还原与AF原位碳化，最后经PDMS真空浸渗封装，得到rAFGA-2-PDMS复合气凝胶。该材料在67 Pa–22.35 kPa区间灵敏度达8.62 kPa⁻¹，响应/恢复时间197/203 ms，15 kPa下3500次循环信号保持率超过95%，并在8.2–12.4 GHz获得47.43 dB的屏蔽效能。
研究方法碱化芳纶、闪蒸焦耳热与PDMS真空浸渗
Kevlar芳纶短切至约1 mm，在15 wt% NaOH中80 ℃碱化4 h，离心洗涤至中性后干燥；再与5 mg/mL GO、SDS和L-抗坏血酸混合，经90 ℃还原1 h、−20 ℃冷冻8 h、90 ℃融化6 h，用无水乙醇置换以降低表面张力，60 ℃干燥得到AFGA。随后在氩气保护下把样品夹在石墨片之间，用FJH在1500 ℃保温5 s、5 s内冷却、循环5次得到rAFGA。最后按PDMS:固化剂:稀释剂=10:1:2配胶，真空浸渗15次填满三维孔隙，90 ℃固化30 min。结构用SEM、FTIR、XRD、Raman、XPS表征，压阻性能由叉指电极配源表与万能试验机测试，电磁屏蔽用矢量网络分析仪与WR-90波导在8.2–12.4 GHz测量。
01结构设计：闪蒸焦耳热同步还原与碳化
图1｜FJH在1500 ℃同步完成GO还原与芳纶碳化，PDMS真空浸渗后三维多孔骨架保持完整，衍生碳纤维与石墨烯片层连接更紧密。
FJH的关键优势是电流分布均匀，能量在毫秒级送入材料内部，避免局部过热与热梯度破坏结构；快速冷却抑制碳骨架晶粒粗化，因而在还原GO、碳化AF的同时保留了三维多孔网络。力学数据印证了骨架强化：AFGA-2在80%应变下压缩应力为22.78 kPa，退火后的rAFGA-2升至49.91 kPa，卸载后可恢复初始高度。未封装的rAFGA-2在100次压缩后出现不可恢复裂纹，而rAFGA-2-PDMS在3500次循环后仍无明显损伤。
02化学结构：脱氧与晶格缺陷修复
图2｜1500 ℃退火后有机官能团与芳纶特征衍射峰几乎消失，ID/IG由1.400降至0.839，PDMS在碳骨架表面形成物理包覆层。
FT-IR中，AFGA-2保留3300–3400 cm⁻¹的N-H/O-H宽峰与1650 cm⁻¹等特征吸收；1500 ℃退火后含氧官能团几乎消失，产物以碳骨架为主，而rAFGA-2-PDMS的谱线与纯PDMS一致，说明PDMS为物理包覆而非化学键合。XRD中AF的尖锐衍射峰退火后消失、只剩碳材料宽峰，证明AF已完全热解为碳纤维；Raman中ID/IG由1.400降至0.839，对应含氧官能团脱除与sp²共轭网络重建；XPS中O1s峰在rAFGA-2中减弱、封装后增强，也与脱氧和包覆过程一致。
03压阻传感：三段灵敏度与循环稳定性
图3｜三段灵敏度（低压段8.62 kPa⁻¹）、197/203 ms响应恢复与3500次循环后95%以上的信号保持率。
传感器采用叉指电极结构，rAFGA-2-PDMS（半径10 mm、高10 mm）置于电极表面。对比三种芳纶添加量，rAFGA-2-PDMS灵敏度最高：AF过少时孔间距大、易塑性变形，过多则填料团聚、初始导电网络过密，受压后新增接触点减少。其响应呈三段：67 Pa–22.35 kPa区间S1=8.62 kPa⁻¹，22.35–69.90 kPa区间2.36 kPa⁻¹，69.90–120 kPa区间0.79 kPa⁻¹（标准差5.74%，n=3）。低压段高灵敏源于材料与电极间空隙迅速压合、接触电阻骤降；随大孔与介孔被压实，导电网络趋于饱和，灵敏度下降。15 kPa下响应/恢复时间为197/203 ms，I-V曲线线性良好（R²＞0.99），0.125 Hz升至0.5 Hz时波形完整无衰减，还可分辨2.6 g石墨块施加的67 Pa压力，迟滞率4.63%源于PDMS黏弹性。15 kPa下3500次循环后信号保持95%以上、基线漂移仅0.13%；50 kPa与100 kPa下2000次循环后仍保持85%和80%以上，作者归因于芳纶衍生碳纤维与石墨烯片层缠结形成的“自锁网络”。
04人体运动监测：从步态到吞咽信号
图4｜踝关节行走、手指点击、腕/指/肘/膝弯曲与吞咽、皱眉、点头均产生稳定可区分的电信号，信噪比41.41–58.92 dB。
传感器可区分慢速与快速行走、不同力度的点击；手腕转动（30°/60°/90°）、手指弯曲、肘部摆动（30–120°）与膝弯曲的信号幅值随角度增大而升高；吞咽、皱眉、点头等微弱生理信号同样被稳定捕捉，对应信噪比（SNR）为41.41–58.92 dB。
05电磁屏蔽：47.43 dB与反射主导机制
图5｜rAFGA-2屏蔽效能58.13 dB，PDMS封装后为47.43 dB；R+A接近100%、透射极低且R大于A，屏蔽以反射损耗为主。
X波段（8.2–12.4 GHz）测量中，AFGA-2的平均屏蔽效能约15.26 dB，1500 ℃退火后rAFGA-2骤增至58.13 dB，说明AF原位碳化提高了电导率并构建更致密的三维导电网络；PDMS封装后为47.43 dB，比屏蔽效能SSE为58.56 dB·cm³/g、SSE/t为292.8 dB·cm²/g。作者解释，PDMS作为绝缘基体部分阻断了连续导电网络，屏蔽效能因此回落，但换来了柔性。反射（R）、吸收（A）与透射（T）系数显示，R+A之和接近100%、T极低且R大于A，屏蔽以反射损耗为主；封装后A升高、R下降，但未改变反射主导机制。机理上，入射波先因阻抗失配被表面反射，进入材料的电磁波与自由电子作用产生焦耳热，并在PDMS-碳骨架界面多次反射而衰减。
06场景演示与应用边界
图6｜放入样品后特斯拉线圈点亮的LED熄灭；充电手机辐射读数由905 V/m降至0 V/m，移走样品后恢复至892 V/m。
特斯拉线圈演示中，rAFGA-2-PDMS置于线圈与LED之间后LED熄灭，说明样品切断了电磁能量传输；以充电中的iPhone 15为辐射源时，检测仪读数由905 V/m降至0 V/m，移走样品后恢复到892 V/m。作者明确说明这两个实验只是概念验证性的可视化演示。需留意的是，本文定量屏蔽数据均在8.2–12.4 GHz、厚2 mm、密度0.81 g/cm³条件下取得；PDMS封装使屏蔽效能由58.13 dB降至47.43 dB，是作者承认的性能取舍；高压区循环衰减更明显，迟滞率4.63%。
07总结与展望
这项工作把“石墨烯还原”与“芳纶碳化”合并为一次毫秒级闪蒸焦耳热处理，再以PDMS真空浸渗将脆性气凝胶转变为可压缩回弹的整体，使同一材料兼具压阻传感与电磁屏蔽能力：67 Pa–22.35 kPa区间灵敏度8.62 kPa⁻¹、响应/恢复197/203 ms、15 kPa下3500次循环信号保持95%以上、8.2–12.4 GHz屏蔽效能47.43 dB。相比传统管式炉长时间高温退火，该路线在毫秒尺度完成碳化与还原，为多功能柔性材料的低能耗制备提供了新思路。若能在更宽频段与更高压力循环下补全评价，这类“快热碳化+聚合物封装”气凝胶有望服务于可穿戴健康监测与电磁防护一体化器件。
论文信息：Yi Li, Dun Jin, Mengmeng Tan, Xiaoyu Zhou, Yuyan Sun, Caixia Huo, Fenghua Li, Qixian Zhang, Carbonized aramid-derived fiber-modified graphene aerogel: Achieving high-performance piezoresistive sensing and electromagnetic interference shielding via PDMS encapsulation, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 412, Part 1,2026,118528,ISSN 0924-4247,https://doi.org/10.1016/j.sna.2026.118528.
