热固性环氧树脂因其具有突出的耐热性能、机械性能以及电绝缘性能，被广泛应用于航空航天、军用、电子、建筑等诸多领域，在高聚物树脂领域占主导地位，随着高新技术的发展，对环氧树脂的综合性能提出了更高的要求。本文采用环氧树脂（EP）作为反应基体，以甲基四氢苯酐（MeTHPA）为固化剂，聚氨酯（PU）为增韧剂，制备PU-EP聚合物。以PU-EP为有机预聚体，经硅烷偶联剂（KH-550、 KH-560和KH-570）和钛酸酯（TCA201）改性的纳米TiO₂为无机填料，制备TiO₂/PU-EP纳米复合材料，其目的是为了增强复合材料的力学性能和耐热性，最终提高复合材料的综合性能。采用FT-IR、SEM、XRD和TEM手段表征了纳米TiO₂经不同偶联剂改性前后的微观形貌，结果表明：纳米TiO₂经过TCA201表面处理后的粒子表面带有较多的活性基团，粒子松散、粒子间的相互作用减弱，分散更均匀。采用SEM、AFM表征TCA201-TiO₂/PU-EP复合材料的聚集态结构及分散状态；采用电子万能拉力试验机测试复合材料的拉伸性能；采用动态热机械分析仪（DMA）观察复合材料的粘弹性及玻璃化转变温度（Tg）；采用热重分析仪（TGA）测试复合材料的热性能；并采用耐压测试仪和介电谱仪对其电性能进行测试及分析。结果表明：nano-TiO₂能均匀地分散在环氧树脂基体中，具有柔性分子链的聚氨酯与带有活性基团的环氧树脂之间通过化学键合嵌入环氧树脂的交联网络中，这种交联从微观形貌可以看出形成了“海岛式”结构，并且复合材料的剪切强度随着nano-TiO₂掺杂量的增多先增大后下降，当掺杂量为3wt%时，剪切强度达到最大值为27.14MPa，比未掺杂无机粒子的聚合物基体（22.13MPa）提高约22.6%；复合材料在20.0℃-86.3℃范围内为玻璃态，在86.3℃-100.7℃为玻璃态转变为橡胶态，玻璃化转变温度为92.4℃；复合材料的热分解温度先上升后下降，当无机TiO₂掺杂量为3wt%时，热分解温度达到最大为397.82℃，较掺杂前提高了17.48℃。TiO₂/PU-EP复合材料介电常数、介质损耗因数随TiO₂掺加量的增加而单调上升，体积电阻率及表面电阻率相比PU-EP呈现单调下降的趋势，TiO₂/PU-EP复合材料的击穿场强均比掺杂前有所下降，当TiO₂添加量为3wt%时，其介电常数、介电损耗、体积电阻率、表面电阻率、击穿场强分别为4.27、0.02、6.31×10¹³·m、9.96×10¹⁵·m²、14.03kV/mm。