A constrained compression test is developed to replicate the mechanical state of a lithium filament within a solid state battery. Lithium microspheres are compressed between parallel quartz plates into a pancake shape of thickness on the order of 15 µm. Full adhesion with no slip exists between the lithium and platens, and the attendant mechanical constraint implies that the average pressure on the pancake-shaped specimens increases with increasing aspect ratio of radius to height. In addition to mechanical constraint, a thickness-dependant size effect is observed whereby the apparent flow strength of the lithium increases from 0.7 MPa in the bulk to 2.0 MPa at a thickness of 15 µm. The lithium deforms in a power-law creeping manner at room temperature, and to simplify interpretation of the results, the relative velocity of the loading platens is adjusted to ensure that the true compressive strain rate is held fixed at 10−3 s−1. Additional measurements of lithium flow strength are obtained by subjecting the pancake-shaped specimens to simple shear. The size effect under shear loading is comparable to that in constrained compression. The observed size effect for lithium is consistent with that reported in the literature for lithium in indentation tests and in single pillar compression tests. Finally, the size effect of lithium in the power law creep regime is compared with that for rate-independent plasticity (for copper).

In this study, 0.5, 1 and 2 wt.% of alumina nano-particles were added to pure Mg and AZ31 magnesium alloy via a stir-casting method. A uniform distribution of the Al2O3 nano-particles with an average diameter of 100 nm, refined the grain structure of the cast materials and decreased the coefficient of thermal expansion (CTE), thus improving the dimensional stability of both pure magnesium and AZ31 alloy. The addition of 2 wt.% nano-Al2O3 particles showed great potential in the reduction of CTE from 27.9 to 25.9 × 10−6 K−1 in pure Mg, and from 26.4 to 25.2 × 10−6 K−1 in AZ31. Some of the cast samples were hot rolled and annealed to investigate the pinning effect of nano-particles on the recrystallization and subsequent mechanical property behavior. Characterization of mechanical properties revealed that the presence of nano-particles significantly increased yield stress and tensile strength but decreased the ductility of both pure magnesium and AZ31. The yield stress and tensile strength both increased by 40 MPa in the Mg–2Al2O3 nano-composite, whereas this improvement was about 65 MPa for AZ31–2Al2O3. The yield strength improvement was mostly due to the CTE mismatch between the matrix and the particles, and to a lesser extent to the Orowan and Hall-Petch strengthening mechanisms. The contribution of each of these mechanisms was used in a modified shear lag model to predict the total composite-strengthening achieved. Examination of fracture surfaces showed that the relatively ductile fracture of the monolithic materials changed to a more brittle mode due to the presence of nano-Al2O3 particles.