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本论文运用第一性原理分子动力学(AIMD)方法系统地研究了纯金属、二元合金以及多组元块体非晶(BMG)合金的液态结构与扩散性质、液固转变过程中原子团簇的演变规律、以及非晶态结构中原子堆垛的短到中程有序的特征。本论文的研究工作不仅对理解非晶合金的形成、非晶结构以及少量元素掺杂提高非晶形成能力(GFA)的机理有重要的意义，而且将对于BMG合金的成分设计和性能优化有一定的指导意义。
论文的主要工作包括以下几个方面：
(1)利用AIMD方法获得了液态纯金属Cu、Zr、Al的双体分布函数(PCF)曲线、结构因子(SF)曲线以及原子扩散系数，与已报导的实验值符合得很好，证明该方法的可靠性。液态金属在急冷过程中原子团簇的演变受冷却条件的制约。在较低的冷却速率下，液态金属Cu、Zr、Al将在不同温度下发生结晶，其中Cu、Al将形成包含一定缺陷的热力学稳定上的fcc结构，而Zr则形成热力学上亚稳定的bcc结构的β-Zr。在较高的冷却速率下，液态金属Cu、Zr、Al将在不同温度下被冻结为非晶态，在此过程中体系内二十面体类型键对和bcc类型键对的含量均在不断增加。
(2)利用AIMD方法对CuxZr100-x(x=34,44,54,64,74)五种成分的二元合金进行系统的研究。通过计算CuxZr100-x合金液态的原子扩散系数发现，x=64和x=54时合金中的原子具有较低的扩散能力。在4×1013K/s的冷却速率下，以上五种合金的Tg出现在645K～743K的范围内。对CuxZr100-x合金液固转变过程的Voronoi多面体分析显示，在温度由TL降到Tg的过程中，＜0,0,12,0＞指数所代表的二十面体的含量迅速增加，表明非晶转变过程与二十面体类型原子团簇的演变密切相关。
(3)在CuxZr100-x合金的非晶态结构中，以Cu原子为中心主要存在两种类型的拓扑短程序(TSRO)结构：即类似晶体配位环境的Bernal多面体结构和二十面体结构，且随着Cu含量的增加，Bernal多面体类似结构的含量减少，二十面体结构的含量增加。以Zr原子为中心的主要TSRO结构为Frank-Kasper多面体结构。分析发现CuxZr100-x非晶态结构中二十面体相互连接的方式可分为四种基本类型：即共点、共线、共面以及嵌套。在Cu64Zr36非晶结构中，发现了由多个二十面体相互嵌套形成的高致密堆垛区。Warren-Cowley化学短程序(CSRO)参数分析表明Cu、Zr原子之间存在较强的化学吸引作用。
(4)通过AIMD方法对Cu46Zr46Al8、Cu38Zr46Al8Ag8两种合金液态性质的研究发现：Al元素的掺杂极大降低了液态合金中Cu、Zr原子的扩散能力，而同时加入Ag元素则可使Cu、Zr、Al原子的扩散能力进一步降低。对以上两种合金的液固转变过程的研究发现，在温度从TL降到Tg的过程中，＜0,0,12,0＞和＜0,2,8,1＞两种类型的团簇的含量增加的最为迅速，但二十面体含量的多少并不能作为评价BMG合金GFA强弱的指标。
(5)对Cu46Zr46Al8BMG合金，通过结合能的计算证实了以Al为中心的二十面体团簇比以Cu为中心的二十面体团簇更加稳定，同时也发现Al原子的加入能使以Cu为中心的原子团簇更加稳定，因而从原子结构的层次阐述了Al元素掺杂提高合金GFA的内在机理，并提出了一种以Al为中心的二十面体团簇形成的中程序“骨架”结构。在Cu46Zr46Al8合金中掺杂8％的Ag元素，不仅降低了液态合金中原子的扩散能力，而且使过冷液态和非晶结构中二十面体团簇的含量增加。Ag元素的掺杂使得结构中存在分别以Al、Ag、Cu原子为中心的三种类型的二十面体团簇，从而增加了局域原子堆垛的致密度。另一方面Ag原子与Zr、Al原子之间存在很强的CSRO。TSRO的增强和CSRO种类的增加均有利于提高合金的GFA。通过Murnaghan状态方程拟合得到了以上两种BMG合金的体弹性模量，与报导的实验数值基本一致。
(6)AIMD模拟得到的Vitl BMG合金的总PCF曲线和总SF曲线与已报导的中子衍射实验结果吻合得非常好。在Vitl合金非晶态结构中发现了十种以上类型的Voronoi多面体，其出现频率分布在1％～5％之间，其中＜0,3,6,1＞、＜0,2,8,1＞、＜0,0,12,0＞和＜0,2,8,4＞等指数所代表的多面体出现频率最高。对AIMD模拟所获得的原子构型分析表明，Vitl BMG合金纳米尺度的原子结构是由不同大小的原子团簇相互堆垛而形成。发现与Ni相关的异类原子对之间存在强烈的化学短程序。二十面体短程序(ISRO)是Vit1合金非晶态结构中最重要的拓扑短程序。二十面体团簇之间通过共点、共边、共面和相互嵌套的方式形成扩展二十面体团簇，即二十面体中程序(IMRO)。Vit1合金具有极好的GFA是与其局域原子堆垛特征紧密相关的。在热力学方面，合金结构中ISRO及IMRO的存在降低了过冷液相的自由能，使过冷液相更加稳定。在动力学方面，由于ISRO、IMRO的存在而引起的合金局域原子的致密堆垛以及复杂的合金成分，使Vitl合金在过冷液相区具有很高的粘度，进而使晶体的形核及长大十分困难。