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Al基非晶合金由于其独特的力学性能及潜在的应用前景,自上世纪八十年代以来一直受到广泛关注。然而,Al基合金的非晶形成能力较低,其本征结构具有特殊性且玻璃形成规律不符合常用玻璃形成能力判据,导致研究进展缓慢并限制了实际应用。因此,如何进行有效的合金成分设计以进一步提高Al基合金的玻璃形成能力,成为目前亟待解决的关键问题,也是非晶研究领域的一块“硬骨头”。本论文的主要研究目的是揭示Al基非晶合金本征结构特性,基于对现有非晶结构模型和金属玻璃的中程有序结构模拟研究的理解,结合化学因素(化学势均衡原理),从原子结构和电子结构角度建立Al基非晶态合金结构模型,探索具有强玻璃形成能力的合金成分,进而研发具有强玻璃形成能力的Al基非晶态合金。主要结论如下：(1)基于拓扑作用(有效密堆)和团簇的化学作用(化学势均衡原理),提出了EAPCC (Efficient Atomic Packing-Chemistry Coupled Model)模型。该模型核心思想是：对于一个给定的Al-TM(过渡族金属元素).RE(稀土金属元素)体系,其玻璃形成能力(GFA)最强的合金成分式为(AlN-RE)TMx, AlN-RE为主团簇,主团簇按照球周期有序(SPO)进行排列,TM原子位于主团簇之间的间隙位置,并与周围的Al原子组成以TM为中心的团簇,其中N值满足几何拓扑结构的密排,X值满足RE和TM两个团簇之间的化学势均衡原理。该模型在Al-Ni-RE(Y, Ce, La, Gd)体系中获得了充分验证,并且预测出形成能力为718μm(楔形)完全非晶新成分(Al85.6Ni9.iHo5.3)。(2)Al基非晶团簇之间的连接特性(即中程尺度结构信息)的理解对合金设计至关重要,基于EAPCC模型,本文进一步发展了二十面体超团簇中程有序模型。即采用二十面体作为中程有序的基本构架,二十面体的每个顶点和中心位置放置Al-RE(Al-TM)团簇,TM(RE)原子位于其四面体间隙。在Al-TM-RE体系中有两种中程有序结构式：(AlNRE)TMx和(AlN’TM)REx’,这种二十面体超团簇结构的密排程度和团簇之间化学势均衡程度共同决定非晶形成能力大小。该模型清晰给出了Al86Ni14-aYa (a=2-9 at.%)不同合金成分短程和中程的原子构型,其结构特性演化与GFA关联性通过X射线衍射和同步辐射实验获得了有效验证。(3)从电子结构角度揭示微合金化(TM和RE)对Al-TM-RE三元合金玻璃形成能力影响的原因。根据金属玻璃费米面和伪布里渊区相互作用机制(当费米面和伪布里渊区相切时,费米面处的电子态密度最低,整体金属玻璃结构最稳定),可以从两个方面揭示微合金化(TM和RE)对Al-TM-RE三元合金玻璃形成能力影响的原因。一方面,Al原子和TM原子之间电子轨道杂化效应改变费米面的直径,这是微量添加TM(例如Co)原子提高玻璃形成能力的原因。另一方面,Al原子和RE原子之间静态结构改变伪布里渊区的大小,这是微量添加RE(例如La)原子提高玻璃形成能力的原因。当满足条件2KF=KP(2KF为费米面的直径,Kp为伪布里渊区的直径)时,非晶形成能力最强,据此制备出目前国际上最大的直径为1.5mm的完全块体非晶Al86Ni6.75Co2.25Y3.25La1.75。此外,通过测量低温电子比热,还进一步验证了Al基金属玻璃费米面处的电子态密度越低,整体非晶合金结构越稳定,从而玻璃形成能力越强。